JP6353457B2 - Biomass liquefaction via gas fermentation - Google Patents

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Description

本発明は、一般的に微生物発酵による生成物、特にアルコールを生成するための方法に関する。特に、本発明は、バイオマスの液化に関連付けられる産業用ガスから発酵生成物を生成するための方法に関する。本発明は、焙焼または熱分解などのバイオマス液化プロセスによって生成されるガス状基質の微生物発酵によって、少なくとも1種類の発酵生成物を生成するための方法を提供する。   The present invention relates generally to a process for producing products from microbial fermentation, particularly alcohol. In particular, the present invention relates to a method for producing fermentation products from industrial gases associated with biomass liquefaction. The present invention provides a method for producing at least one fermentation product by microbial fermentation of a gaseous substrate produced by a biomass liquefaction process such as roasting or pyrolysis.

触媒プロセスを用いて、主としてCOおよび/またはCOならびに水素(H)からなるガスを様々な燃料および化学物質に変換することができる。微生物を用いて、これらのガスを燃料および化学物質に変換することもできる。これらの生物学的プロセスは、一般的に化学反応よりも遅いが、より高い特異性、より高い収率、より低いエネルギーコストおよび毒に対するより高い耐性を含めて、触媒プロセスに優るいくつかの利点を有する。 Catalytic processes can be used to convert gases consisting primarily of CO and / or CO and hydrogen (H 2 ) into various fuels and chemicals. Microorganisms can also be used to convert these gases into fuels and chemicals. These biological processes are generally slower than chemical reactions, but have several advantages over catalytic processes, including higher specificity, higher yields, lower energy costs and higher resistance to poisons Have

唯一の炭素源としてのCO上で増殖する微生物の能力は、最初に1903年に発見された。これは、後に、(Woods−Ljungdahl経路および一酸化炭素デヒドロゲナーゼ/アセチルCoAシンターゼ(CODH/ACS)経路としても知られている)独立栄養成長のアセチル補酵素A(アセチルCoA)生化学的経路を使用する生物の性質であることが決定された。カルボキシド栄養性(carboxydotrophic)生物、光合成生物、メタン生成生物および酢酸生成生物を含む大多数の嫌気性生物は、COを様々な最終生成物、すなわち、CO、H、メタン、n−ブタノール、アセテートおよびエタノールに代謝することが示されている。これらの生成物に加えて、本発明者らは、いくつかの他の有用な生成物である炭素ベースの生成物が、特定の微生物または特定の遺伝子を発現する微生物を用いる発酵によって取得できることを以前に証明した。 The ability of microorganisms to grow on CO as the sole carbon source was first discovered in 1903. This later uses the acetyl-coenzyme A (acetyl-CoA) biochemical pathway of autotrophic growth (also known as the Woods-Ljungdahl pathway and the carbon monoxide dehydrogenase / acetyl-CoA synthase (CODH / ACS) pathway) It was determined that it was the nature of the organism. Karubokishido nutritional (carboxydotrophic) organisms, photosynthetic organism, the majority of anaerobic organisms including methanogenic organisms and acetogenic organisms, various end product CO, i.e., CO 2, H 2, methane, n- butanol It has been shown to metabolize to acetate and ethanol. In addition to these products, we have found that some other useful products, carbon-based products, can be obtained by fermentation using specific microorganisms or microorganisms expressing specific genes. Proved before.

クロストリジウム属の細菌などの嫌気性細菌は、アセチルCoA生化学的経路を介してCO、COおよびHからエタノールを生成することが実証されている。例えば、ガスからエタノールを生成するClostridium ljungdahliiの様々な株については、WO 00/68407号、EP 117309号、米国特許第5,173,429号、同第5,593,886号、および同第6,368,819号、WO 98/00558号ならびにWO 02/08438号に記載されている。細菌Clostridium autoethanogenum種も、ガスからエタノールを生成することが知られている(Abrini et al.,Archives of Microbiology 161,pp345−351(1994))。 Anaerobic bacteria such as Clostridium bacteria have been demonstrated to produce ethanol from CO, CO 2 and H 2 via the acetyl CoA biochemical pathway. For example, various strains of Clostridium ljungdahlii that produce ethanol from gas are described in WO 00/68407, EP 117309, US Pat. Nos. 5,173,429, 5,593,886, and 6 368, 819, WO 98/00558 and WO 02/08438. The bacterium Clostridium autoethanogenum species are also known to produce ethanol from gas (Abrini et al., Archives of Microbiology 161, pp 345-351 (1994)).

微生物によるCOおよびHを含む基質の発酵のためのプロセスが知られているが、これらのプロセスを産業状況に拡大および統合するための可能性はほとんど検討されていない。石油化学工場および石油精製所は、「廃棄される」副産物として大量のCOを生成する。かなりの割合の廃ガスが、現在フレアに送られる(燃焼される)か、あるいは燃料の供給源として使用されており、どちらも望ましくない温室効果ガスのC〇を生成する。したがって、それによって生成される廃ガスおよびエネルギーを、望ましい生成物を生成するための発酵で利用し、同時に工場からのガス状炭素流出量を削減することによって工業プロセスを改善できる可能性がある。 Processes for the fermentation of substrates containing CO and H 2 by microorganisms are known, but the possibilities for extending and integrating these processes into the industrial context have been little studied. Petrochemical plants and refineries produce large amounts of CO as a “by-product” byproduct. Significant proportion of the waste gas, (is burned) currently sent to flare or, alternatively have been used as a source of fuel, to produce a C_〇 2 greenhouse gas which is undesirable. Thus, it may be possible to improve industrial processes by utilizing the waste gas and energy produced thereby in fermentation to produce the desired product, while at the same time reducing gaseous carbon effluent from the factory.

バイオマスの液化は、貴重な液体生成物を得るための経済的な方法であり得る。バイオマスは、任意の種類の木質バイオマス、農業廃棄物、パルプおよび紙廃棄物、自治体の固形廃棄物、または石炭/コークスであり得る。バイオマス変換のための3つの主要プロセスは、焙焼、熱分解および気化である。   Biomass liquefaction can be an economical way to obtain valuable liquid products. The biomass can be any kind of woody biomass, agricultural waste, pulp and paper waste, municipal solid waste, or coal / coke. The three main processes for biomass conversion are roasting, pyrolysis and vaporization.

焙焼は、空気または酸素の非存在下で比較的低温(150〜300℃)にバイオマスを供することを含む。揮発性物質を作製し、次いで、流出させ、石炭に似た圧縮された炭素に富む固体を生成する。生成されたガス流は、COおよびCOを含む。 Roasting involves subjecting the biomass to a relatively low temperature (150-300 ° C.) in the absence of air or oxygen. Volatile material is made and then drained to produce a compressed carbon rich solid resembling coal. The generated gas stream comprising CO and CO 2.

熱分解は、酸素が関与しない、高温(典型的には、摂氏450〜500℃以上の温度)での有機材料の熱化学分解である。熱分解は、化学組成および物理相の同時変化を伴い、不可逆的である。熱分解は、反応条件下での相対的な時間を説明する「速い」もしくは「遅い」、または若干中間として特徴付けることができる。気体、液体、固体生成物は、温度および反応時間に応じて相対的な量で生成される。急速熱分解は、液体収量を最大化するが、より手腕を問われる。   Pyrolysis is the thermochemical decomposition of organic materials at high temperatures (typically temperatures of 450-500 ° C. or higher) that do not involve oxygen. Pyrolysis is irreversible with simultaneous changes in chemical composition and physical phase. Pyrolysis can be characterized as “fast” or “slow” or somewhat intermediate describing the relative time under reaction conditions. Gaseous, liquid and solid products are produced in relative quantities depending on temperature and reaction time. Rapid pyrolysis maximizes liquid yield but is more challenging.

バイオマスの気化は、合成ガスを生成するための酸素/空気/蒸気の使用を含む。   Biomass vaporization involves the use of oxygen / air / steam to produce synthesis gas.

有用な生成物を生成するために、または少なくとも公衆に有用な選択肢を提供するために、バイオマスの液化およびガス発酵を含む統合された方法ならびに/またはシステムを提供することが、本発明の目的である。   It is an object of the present invention to provide an integrated method and / or system including biomass liquefaction and gas fermentation to produce useful products, or at least to provide useful options to the public. is there.

本発明は一般に、とりわけ、CO含有基質の微生物発酵による生成物の生成のための方法を提供する。   The present invention generally provides a method for the production of a product, inter alia, by microbial fermentation of a CO-containing substrate.

第1の態様において、本発明は、少なくとも1種類の生成物を生成する方法であって、
i)少なくとも1種類のカルボキシド栄養性酢酸生成微生物の培養物を含むバイオリアクターにCO含有基質を提供することと、
ii)バイオリアクターの中で培養物を発酵させ、少なくとも1種類の発酵生成物を生成することと、
を含む方法を提供し、その際、工程(i)の基質は、1以上のバイオマス液化プロセスから誘導される。
In a first aspect, the present invention is a method for producing at least one product comprising:
i) providing a CO-containing substrate to a bioreactor comprising a culture of at least one carboxydotrophic acetic acid producing microorganism;
ii) fermenting the culture in a bioreactor to produce at least one fermentation product;
Wherein the substrate of step (i) is derived from one or more biomass liquefaction processes.

特定の実施形態において、CO含有基質は、さらにCOおよび/またはHを含む。 In certain embodiments, the CO-containing substrate further comprises CO 2 and / or H 2 .

特定の実施形態において、CO含有基質は合成ガスである。   In certain embodiments, the CO-containing substrate is syngas.

特定の実施形態において、合成ガスは、CO含有基質およびCO2/H2ガス流を提供するために分離される。一実施形態において、CO含有基質は、第1のバイオリアクターに送られ、そこで発酵されて、1種類以上のアルコール類および/または酸類ならびにCO2を含む流出ガス流を生成する。特定の実施形態において、流出ガス流はさらに水素を含む。特定の実施形態において、流出ガス流は、CO2/H2ガス流と組み合わされる。特定の実施形態において、組み合わされた流れは、1種類以上の微生物の培養物を含む第2のバイオリアクターに送られ、発酵して、アセテートを生成する。   In certain embodiments, the synthesis gas is separated to provide a CO-containing substrate and a CO2 / H2 gas stream. In one embodiment, the CO-containing substrate is sent to a first bioreactor where it is fermented to produce an effluent gas stream comprising one or more alcohols and / or acids and CO2. In certain embodiments, the effluent gas stream further comprises hydrogen. In certain embodiments, the effluent gas stream is combined with a CO2 / H2 gas stream. In certain embodiments, the combined streams are sent to a second bioreactor containing a culture of one or more microorganisms and fermented to produce acetate.

特定の実施形態において、1以上のバイオマス液化プロセスは、焙焼、熱分解および気化から選択される。一実施形態において、バイオマス液化プロセスは、液化ゾーン中で行われる。   In certain embodiments, the one or more biomass liquefaction processes are selected from roasting, pyrolysis and vaporization. In one embodiment, the biomass liquefaction process is performed in a liquefaction zone.

特定の実施形態において、バイオマス液化プロセスは、ガス発酵プロセスでの使用に特に適する液化ガス生成物を生成するように適合されている。例えば、液化プロセスの温度を上昇させると、二酸化炭素よりも優先的に一酸化炭素を生成する。Fuetらは、様々な温度でのガス生成、液体生成および炭生成の間の変動を考察している(Fu et.al.,Bioresource Technology,102巻,発行物17,2011年9月,8211−8219ページ)。特定の実施形態において、液化ガス生成物は、約20%〜約60%の濃度でCOを含む。特定の実施形態において、液化ガス生成物は、0%〜約40%の濃度でCOを含む。特定の実施形態において、液化ガス生成物は、0%〜10%の濃度でCOを含む。特定の実施形態において、液化ガス生成物は、上記の濃度のCOおよび/または上記の濃度のHと組み合わせて、上記の濃度のCOを含むガスの混合物を含む。 In certain embodiments, the biomass liquefaction process is adapted to produce a liquefied gas product that is particularly suitable for use in a gas fermentation process. For example, increasing the temperature of the liquefaction process produces carbon monoxide preferentially over carbon dioxide. Fuet et al. Consider the variation between gas production, liquid production and charcoal production at various temperatures (Fu et al., Bioresource Technology, Vol. 102, Publication 17, September 2011, 8211- 8219). In certain embodiments, the liquefied gas product comprises CO at a concentration of about 20% to about 60%. In certain embodiments, the liquefied gas product contains CO 2 at a concentration of 0% to about 40%. In certain embodiments, the liquefied gas product contains CO 2 at a concentration of from 0% to 10%. In certain embodiments, the liquefied gas product comprises a mixture of gases comprising the above concentration of CO in combination with the above concentration of CO 2 and / or the above concentration of H 2 .

さらなる特定の実施形態において、液化ガス生成物は、NH、NO、HS、HCN、SOおよびSOからなる群から選択される不純物を含む。特定の実施形態において、バイオマス液化プロセスで使用されるバイオマスの少なくとも一部は、バイオリアクターから回収されたバイオマスを含む。 In a further specific embodiment, the liquefied gas product comprises an impurity selected from the group consisting of NH 3 , NO, H 2 S, HCN, SO 2 and SO 3 . In certain embodiments, at least a portion of the biomass used in the biomass liquefaction process comprises biomass recovered from the bioreactor.

特定の実施形態において、液化プロセス中に生成されるエネルギーを用いて、発酵反応およびその後の発酵生成物の分離の効率を高めることができる。特定の実施形態において、このエネルギーを用いて、発酵基質を加熱もしくは冷却するか、または例えば、蒸留によって発酵生成物の分離を可能にする。   In certain embodiments, the energy generated during the liquefaction process can be used to increase the efficiency of the fermentation reaction and subsequent separation of the fermentation product. In certain embodiments, this energy is used to heat or cool the fermentation substrate or to allow separation of the fermentation product, for example, by distillation.

特定の実施形態において、バイオマス液化プロセスは熱分解を含み、熱分解生成物が生成される。好ましくは、熱分解生成物は、熱分解油、炭および/または熱分解ガスである。   In certain embodiments, the biomass liquefaction process includes pyrolysis and a pyrolysis product is produced. Preferably, the pyrolysis product is pyrolysis oil, charcoal and / or pyrolysis gas.

特定の実施形態において、熱分解ガスの少なくとも一部は、CO含有基質の一部としてバイオリアクターに送られる。   In certain embodiments, at least a portion of the pyrolysis gas is sent to the bioreactor as part of the CO-containing substrate.

特定の実施形態において、熱分解油を、バイオリアクターから受け取った水素含有流出ガス流と接触させる。バイオリアクターに提供されるCO含有基質がHも含む場合、発酵プロセスは、基質のCO成分、必要に応じてCO成分を固定し、したがってより高い濃度の水素を有する流出ガス流をもたらす。発酵が効果的に水素膜として機能すると、バイオリアクターに提供される基質と比較して、Hが未変換のまま通過し、流出ガス流中のHを濃縮することが可能になる。好ましくは、水素を含む流出ガス流は、熱分解油と接触し、油を水素化して、6〜20個の炭素原子を有する炭化水素生成物を生成する。一実施形態において、炭化水素生成物は、ジェット燃料(JP−5、JP−8)としての使用に適するか、または高純度の灯油を必要とする他のプロセスに適するハイグレード灯油である。特定の実施形態において、アップグレードプロセスからの流出流は、燃料源としての使用済みの流れであり得る。 In certain embodiments, the pyrolysis oil is contacted with a hydrogen-containing effluent gas stream received from a bioreactor. If the CO-containing substrate provided to the bioreactor also contains H 2 , the fermentation process will fix the CO component of the substrate, and optionally the CO 2 component, thus resulting in an effluent gas stream having a higher concentration of hydrogen. When fermentation acts as an effective hydrogen film, as compared with the substrate provided to the bioreactor, through H 2 is unconverted, it is possible to concentrate the H 2 in effluent gas stream. Preferably, the effluent gas stream comprising hydrogen contacts the pyrolysis oil and hydrogenates the oil to produce a hydrocarbon product having 6 to 20 carbon atoms. In one embodiment, the hydrocarbon product is a high grade kerosene suitable for use as jet fuel (JP-5, JP-8) or other processes that require high purity kerosene. In certain embodiments, the effluent from the upgrade process can be a spent stream as a fuel source.

特定の実施形態において、固体および/または液体の熱分解生成物は気化を受け、気化生成物の少なくとも一部は、CO含有基質の一部としてバイオリアクターに送られる。好ましくは、固体の熱分解生成物は炭であり、液体の熱分解生成物は熱分解油である。   In certain embodiments, the solid and / or liquid pyrolysis products undergo vaporization and at least a portion of the vaporized product is sent to the bioreactor as part of the CO-containing substrate. Preferably, the solid pyrolysis product is charcoal and the liquid pyrolysis product is pyrolysis oil.

特定の実施形態において、炭はCOの存在下で変換され、CO含有基質への添加のためのCOを形成する。好ましくは、変換用のCOはバイオリアクター、焙焼プロセスおよび/または熱分解プロセスから受け取られる。 In certain embodiments, the charcoal is converted in the presence of CO 2 to form CO for addition to the CO-containing substrate. Preferably, CO 2 for conversion is received from the bioreactor, roasting process and / or pyrolysis processes.

特定の実施形態において、バイオマス液化プロセスは焙焼を含む。特定の実施形態において、焙焼プロセスは、CO、COおよび/またはHを含む1種類以上の焙焼ガスを生成する。好ましくは、1種類以上の焙焼ガスの少なくとも一部は、発酵プロセスに送られるCO含有基質に添加される。 In certain embodiments, the biomass liquefaction process includes roasting. In certain embodiments, the roasting process produces one or more roasting gases comprising CO, CO 2 and / or H 2 . Preferably, at least a portion of the one or more roasting gases is added to the CO-containing substrate that is sent to the fermentation process.

特定の実施形態において、1以上のバイオマス液化プロセスは、焙焼および熱分解を含む。好ましくは、バイオマスが最初に焙焼に供され、次いで、少なくとも1種類の焙焼生成物の少なくとも一部が熱分解に供され、その後、少なくとも1種類の熱分解生成物の少なくとも一部が、ガス発酵で使用するためのCO含有基質に添加される。   In certain embodiments, the one or more biomass liquefaction processes include roasting and pyrolysis. Preferably, the biomass is first subjected to roasting, then at least a portion of the at least one roasted product is subjected to pyrolysis, after which at least a portion of the at least one pyrolysis product is Added to a CO-containing substrate for use in gas fermentation.

特定の実施形態において、CO含有基質はさらに、焙焼、気化または熱分解プロセスの生成物であるCOを含む。 In certain embodiments, the CO-containing substrate further comprises CO 2 that is the product of a roasting, vaporization or pyrolysis process.

特定の実施形態において、CO含有基質はさらに、焙焼、熱分解または気化プロセスの生成物であるHを含む。 In certain embodiments, CO-containing substrate further includes roasting, and H 2 is the product of thermal decomposition or vaporization process.

特定の実施形態において、1種類以上の発酵生成物はアルコールまたはジオールである。一実施形態において、アルコールはエタノールである。別の実施形態において、ジオールは2,3−ブタンジオールである。特定の実施形態において、1種類以上の発酵生成物はエタノールおよび2,3−ブタンジオールである。   In certain embodiments, the one or more fermentation products are alcohols or diols. In one embodiment, the alcohol is ethanol. In another embodiment, the diol is 2,3-butanediol. In certain embodiments, the one or more fermentation products are ethanol and 2,3-butanediol.

特定の実施形態において、1種類以上の発酵生成物は、1種類以上のアルカンに変換される。   In certain embodiments, one or more fermentation products are converted to one or more alkanes.

特定の実施形態において、1種類以上のアレーン化合物は、熱分解油から得られる。さらなる実施形態において、1種類以上のアレーン化合物は、燃料を生成するために1種類以上のアルカンと組み合わされる。   In certain embodiments, the one or more arene compounds are obtained from pyrolysis oil. In further embodiments, one or more arene compounds are combined with one or more alkanes to produce a fuel.

第2の態様において、本発明は、ガス状基質から少なくとも1種類の生成物を生成するための方法であって、
a.CO、COおよびHを含むガス状基質、ならびに熱分解油および炭からなる群から選択される少なくとも1種類の熱分解生成物を生成するための条件下で動作する熱分解ゾーンにバイオマス原料を送ることと、
b.少なくとも1種類のカルボキシド栄養性酢酸生成微生物の培養物を含むバイオリアクターにガス状基質の少なくとも一部を送り、このガス状基質の少なくとも一部を嫌気性発酵させて、少なくとも1種類の発酵生成物、第2のバイオマスを含む廃棄物流および水素を含む流出ガス流を生成することと、
c.第2のバイオマスの少なくとも一部を廃棄物流から分離することと、
d.熱分解ゾーンに第2のバイオマスの一部を送ることと、
を含む方法を提供する。
In a second aspect, the present invention is a method for producing at least one product from a gaseous substrate comprising:
a. Biomass feedstock in a pyrolysis zone operating under conditions to produce a gaseous substrate comprising CO, CO 2 and H 2 and at least one pyrolysis product selected from the group consisting of pyrolysis oil and charcoal Sending
b. At least one part of the gaseous substrate is sent to a bioreactor comprising a culture of at least one carboxydotrophic acetic acid producing microorganism and at least a part of the gaseous substrate is subjected to anaerobic fermentation to produce at least one kind of fermentation Generating a waste stream comprising a product, a second biomass and an effluent gas stream comprising hydrogen;
c. Separating at least a portion of the second biomass from the waste stream;
d. Sending a portion of the second biomass to the pyrolysis zone;
A method comprising:

一実施形態において、流出ガス流は、水素に富む流れを提供するための条件下で動作する分離ゾーンに送られる。一実施形態において、熱分解生成物は熱分解油であり、水素に富む流れおよび熱分解油は、水素化生成物を提供するための条件下で動作する水素化ゾーンに送られる。一実施形態において、水素化生成物は、6〜20個の炭素を有する炭化水素である。一実施形態において、水素化ゾーンは、ジェット燃料の炭化水素生成物を提供するための条件下で動作する。   In one embodiment, the effluent gas stream is sent to a separation zone operating under conditions to provide a hydrogen rich stream. In one embodiment, the pyrolysis product is a pyrolysis oil and the hydrogen rich stream and pyrolysis oil are sent to a hydrogenation zone operating under conditions to provide the hydrogenation product. In one embodiment, the hydrogenation product is a hydrocarbon having 6-20 carbons. In one embodiment, the hydrogenation zone operates under conditions to provide a jet fuel hydrocarbon product.

一実施形態において、CO、COおよびHを含む熱分解ゾーンからのガス状基質は、COに富む流れならびに濃縮されたCOおよびHガス状基質を提供するための条件下で動作する分離ゾーンに送られる。一実施形態において、濃縮されたCOおよびHの流れはバイオリアクターに送られる。 In one embodiment, the gaseous substrate from the pyrolysis zone comprising CO, CO 2 and H 2 operates under conditions to provide a CO 2 rich stream and a concentrated CO and H 2 gaseous substrate. Sent to the separation zone. In one embodiment, the concentrated CO and H 2 stream is sent to a bioreactor.

一実施形態において、熱分解生成物は炭であり、炭およびCOに富む流れは、COを含む第2の基質流を生成するための条件下で動作する反応ゾーンに送られる。一実施形態において、COを含む第2の基質流がバイオリアクターに送られる。 In one embodiment, the pyrolysis product is charcoal and the charcoal and CO 2 rich stream is sent to a reaction zone operating under conditions to produce a second substrate stream comprising CO. In one embodiment, a second substrate stream comprising CO is sent to the bioreactor.

一実施形態において、熱分解生成物は熱分解油および/または炭であり、熱分解生成物は、気化されたCO含有基質を生成するための条件下で動作する気化ゾーンに送られる。   In one embodiment, the pyrolysis product is pyrolysis oil and / or charcoal, and the pyrolysis product is sent to a vaporization zone that operates under conditions to produce a vaporized CO-containing substrate.

一実施形態において、熱分解ゾーンに送られたバイオマスは、最初に前処理ゾーンに送られる。一実施形態において、前処理ゾーンは焙焼ゾーンである。一実施形態において、バイオマスは、焙焼バイオマスを生成するための条件下で動作する焙焼ゾーンに送られる。次いで、焙焼バイオマスは熱分解ゾーンに送られる。   In one embodiment, biomass sent to the pyrolysis zone is first sent to the pretreatment zone. In one embodiment, the pretreatment zone is a roasting zone. In one embodiment, the biomass is sent to a roasting zone that operates under conditions to produce roasted biomass. The roasted biomass is then sent to the pyrolysis zone.

第3の態様において、本発明は、ガス状基質から少なくとも1種類の生成物を生成するための方法であって、
a.バイオマス原料を焙焼ゾーンに送って、焙焼バイオマスを生成することと、
b.焙焼バイオマスを熱分解ゾーンに送って、CO、熱分解油および炭を含むガス状基質を生成することと、
c.少なくとも1種類のカルボキシド栄養性酢酸生成微生物の培養物を含むバイオリアクターにガス状基質の少なくとも一部を送り、ガス状基質の少なくとも一部を嫌気性発酵させて、少なくとも1種類の発酵生成物、第2のバイオマスを含む廃棄物流および水素を含む流出ガス流を生成することと、
d.第2のバイオマスの少なくとも一部を廃棄物流から分離することと、
e.水素に富む流れを提供するための条件下で動作する分離ゾーンに流出ガス流を送ることと、
f.焙焼ゾーンに第2のバイオマスの一部を送ることと、
g.水素化生成物を生成するための条件下で動作する水素化ゾーンに熱分解油および水素に富む流れを送ることと、
を含む方法を提供する。
In a third aspect, the present invention is a method for producing at least one product from a gaseous substrate comprising:
a. Sending biomass raw material to the roasting zone to produce roasted biomass;
b. Sending the roasted biomass to a pyrolysis zone to produce a gaseous substrate comprising CO, pyrolysis oil and charcoal;
c. At least a portion of the gaseous substrate is sent to a bioreactor comprising a culture of at least one carboxydotrophic acetic acid producing microorganism, and at least a portion of the gaseous substrate is anaerobically fermented to produce at least one fermentation product Generating a waste stream comprising a second biomass and an effluent gas stream comprising hydrogen;
d. Separating at least a portion of the second biomass from the waste stream;
e. Sending an effluent gas stream to a separation zone operating under conditions to provide a hydrogen rich stream;
f. Sending a portion of the second biomass to the roasting zone;
g. Sending a pyrolysis oil and hydrogen rich stream to a hydrogenation zone operating under conditions to produce a hydrogenated product;
A method comprising:

一実施形態において、焙焼プロセスは、COを含むガス状副産物流を生成し、このガス状副産物流の少なくとも一部はバイオリアクターに送られる。   In one embodiment, the roasting process produces a gaseous byproduct stream comprising CO, at least a portion of which is sent to the bioreactor.

一実施形態において、炭は気化ゾーンに送られ、気化されて、COを含む第2のガス状基質を生成する。一実施形態において、COを含む第2のガス状基質はバイオリアクターに送られる。   In one embodiment, the charcoal is sent to the vaporization zone and vaporized to produce a second gaseous substrate comprising CO. In one embodiment, a second gaseous substrate comprising CO is sent to the bioreactor.

一実施形態において、ガス状副産物流、第2のガス流、または熱分解反応によって生成されるガス状基質からなる群から選択されるガス流のうちの少なくとも2つが混合された後、バイオリアクターに送られる。   In one embodiment, after mixing at least two of a gaseous byproduct stream, a second gas stream, or a gas stream selected from the group consisting of a gaseous substrate produced by a pyrolysis reaction, the bioreactor is mixed. Sent.

一実施形態において、水素化生成物は、6〜20個の炭素を有する炭化水素生成物である。一実施形態において、水素化生成物はハイグレードの灯油である。一実施形態において、水素化ゾーンは、ジェット燃料用の炭化水素生成物を生成するための条件下で動作する。   In one embodiment, the hydrogenation product is a hydrocarbon product having 6-20 carbons. In one embodiment, the hydrogenation product is a high grade kerosene. In one embodiment, the hydrogenation zone operates under conditions to produce a hydrocarbon product for jet fuel.

第4の態様において、本発明は発酵生成物の生成のためのシステムであって、CO含有基質の発酵によって発酵生成物を生成するように適合された1種類以上の微生物の培養物を含み、1以上のバイオマス液化プロセスからCO含有基質の少なくとも一部を受け取るように適合されているバイオリアクターを含むシステムを提供する。   In a fourth aspect, the present invention is a system for the production of a fermentation product comprising a culture of one or more microorganisms adapted to produce a fermentation product by fermentation of a CO-containing substrate, A system is provided that includes a bioreactor adapted to receive at least a portion of a CO-containing substrate from one or more biomass liquefaction processes.

特定の実施形態において、CO含有基質はさらに、COおよび/またはHを含む。 In certain embodiments, the CO-containing substrate further comprises CO 2 and / or H 2 .

特定の実施形態において、1以上のバイオマス液化プロセスは、焙焼、熱分解および気化から選択される。特定の実施形態において、バイオマス液化プロセスで使用されるバイオマスの少なくとも一部は、バイオリアクターから回収されたバイオマスを含む。   In certain embodiments, the one or more biomass liquefaction processes are selected from roasting, pyrolysis and vaporization. In certain embodiments, at least a portion of the biomass used in the biomass liquefaction process comprises biomass recovered from the bioreactor.

特定の実施形態において、バイオマス液化プロセスは熱分解を含み、このシステムはさらに、熱分解生成物を生成するように適合された熱分解ゾーンを含む。好ましくは、熱分解生成物は、熱分解油、炭および/または熱分解ガスである。   In certain embodiments, the biomass liquefaction process includes pyrolysis, and the system further includes a pyrolysis zone adapted to produce a pyrolysis product. Preferably, the pyrolysis product is pyrolysis oil, charcoal and / or pyrolysis gas.

特定の実施形態において、熱分解ゾーンは、バイオリアクターに熱分解ガスの少なくとも一部を送るように適合された少なくとも1つの出口を含む。   In certain embodiments, the pyrolysis zone includes at least one outlet adapted to deliver at least a portion of the pyrolysis gas to the bioreactor.

特定の実施形態において、システムはさらに、
a.熱分解反応器からの熱分解油;
b.バイオリアクターからの水素を含む流出ガス流
を受け取るように適合された水素化ゾーンを含む。
In certain embodiments, the system further comprises:
a. Pyrolysis oil from pyrolysis reactor;
b. A hydrogenation zone is included that is adapted to receive an effluent gas stream comprising hydrogen from the bioreactor.

特定の実施形態において、流出ガス流は、熱分解ゾーンに戻される。特定の実施形態において、流出ガス流は燃料源として使用される。   In certain embodiments, the effluent gas stream is returned to the pyrolysis zone. In certain embodiments, the effluent gas stream is used as a fuel source.

特定の実施形態において、このシステムはさらに、固体および/または液体のバイオマスを受け取るように適合され、かつCO含有基質の一部としてバイオリアクターに気化生成物を送るように適合された気化ゾーンを含む。好ましくは、固体および/または液体のバイオマスは、熱分解ゾーンから受け取った熱分解生成物である。好ましくは、固体の熱分解生成物は炭であり、液体の熱分解生成物は、熱分解油である。   In certain embodiments, the system further includes a vaporization zone adapted to receive solid and / or liquid biomass and adapted to deliver the vaporized product to the bioreactor as part of the CO-containing substrate. . Preferably, the solid and / or liquid biomass is a pyrolysis product received from the pyrolysis zone. Preferably, the solid pyrolysis product is charcoal and the liquid pyrolysis product is pyrolysis oil.

特定の実施形態において、このシステムはさらに、焙焼バイオマスを生成するためにバイオマスを焙焼に供するように適合された焙焼ゾーン、ならびにCO、COおよび/またはHを含む1種類以上の焙焼ガスの少なくとも一部をバイオリアクターに送るように適合された出口を含む。 In certain embodiments, the system further includes a roasting zone adapted to subject the biomass to roasting to produce roasted biomass, and one or more types comprising CO, CO 2 and / or H 2 . An outlet adapted to send at least a portion of the roasting gas to the bioreactor;

特定の実施形態において、熱分解ゾーンは、焙焼バイオマスの少なくとも一部を受け取るように適合されている。   In certain embodiments, the pyrolysis zone is adapted to receive at least a portion of the roasted biomass.

特定の実施形態において、熱分解ゾーン、焙焼ゾーンおよび/または気化ゾーンは、さらに、1種類以上のガス生成物の少なくとも一部をバイオリアクターに送るように適合された1以上の出口を含む。好ましくは、ガス生成物は、CO、COおよび/またはHを含む。 In certain embodiments, the pyrolysis zone, roasting zone and / or vaporization zone further includes one or more outlets adapted to deliver at least a portion of the one or more gas products to the bioreactor. Preferably the gas product comprises CO, CO 2 and / or H 2 .

特定の実施形態において、このシステムは、CO含有基質への添加のためのCOを形成するために、COの存在下で炭を変換するように適合された炭変換ゾーンを含む。好ましくは、変換用のCOは、バイオリアクター、焙焼リアクター、気化モジュールおよび/または熱分解リアクターからガス再循環導管を介して受け取られる。 In certain embodiments, the system, in order to form a CO for addition to the CO-containing substrate comprises coal conversion zone adapted to convert the coal in the presence of CO 2. Preferably, CO 2 for conversion bioreactor, roasting reactor, received via gas recirculation conduit from the vaporization module and / or pyrolysis reactor.

第5の態様において、本発明は、第1、第2もしくは第3の態様のいずれかの方法、または第4の態様のシステムにより生成される場合に、発酵生成物を提供する。   In a fifth aspect, the present invention provides a fermentation product when produced by the method of any of the first, second or third aspects, or the system of the fourth aspect.

以下の実施形態は、本明細書に提供される態様のいずれかに適用することができる。   The following embodiments can be applied to any of the aspects provided herein.

一実施形態において、カルボキシド栄養性酢酸生成微生物は、クロストリジウム属由来のものである。一実施形態において、カルボキシド栄養性酢酸生成微生物は、Clostridium autoethanogenum、Clostridium ljungdahlii、Clostridium ragsdaleiおよびClostridium coskatiiからなる群から選択される。特定の一実施形態において、この微生物は、Clostridium autoethanogenum DSM23693である。別の特定の実施形態において、この微生物は、Clostridium ljungdahlii DSM13528である。   In one embodiment, the carboxydotrophic acetic acid producing microorganism is from the genus Clostridium. In one embodiment, the carboxydotrophic acetic acid producing microorganism is selected from the group consisting of Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium ragsdalei, and Clostridium coskatati. In one particular embodiment, the microorganism is Clostridium autoethanogenum DSM23693. In another specific embodiment, the microorganism is Clostridium ljungdahlii DSM13528.

一実施形態において、発酵生成物は、アルコールまたはジオールである。一実施形態において、アルコールはエタノールである。別の実施形態において、ジオールは2,3−ブタンジオールである。特定の実施形態において、1種類以上の発酵生成物は、エタノールおよび2,3−ブタンジオールである。一実施形態において、酢酸は、発酵の副産物として生成される。   In one embodiment, the fermentation product is an alcohol or diol. In one embodiment, the alcohol is ethanol. In another embodiment, the diol is 2,3-butanediol. In certain embodiments, the one or more fermentation products are ethanol and 2,3-butanediol. In one embodiment, acetic acid is produced as a fermentation byproduct.

一実施形態において、本発明は、1種類以上の発酵生成物の誘導体として得られる1種類以上のアルカンを提供する。一実施形態において、1種類以上の発酵生成物はさらに、熱化学変換法または触媒変換法などの公知の変換法によって下流生成物に変換される。   In one embodiment, the present invention provides one or more alkanes obtained as a derivative of one or more fermentation products. In one embodiment, the one or more fermentation products are further converted to downstream products by known conversion methods such as thermochemical conversion methods or catalytic conversion methods.

一実施形態において、本発明は、上記の態様のいずれかに記載の方法に従って生成される熱分解油の誘導体として得られる1種類以上のアレーン化合物を提供する。特定の実施形態において、1種類以上のアレーン化合物は、燃料を生成するために1種類以上のアルカンと組み合わされる。   In one embodiment, the present invention provides one or more arene compounds obtained as a derivative of a pyrolysis oil produced according to a method according to any of the above aspects. In certain embodiments, one or more arene compounds are combined with one or more alkanes to produce a fuel.

本発明は、本出願の明細書で言及もしくは示される部分、要素および特徴に個別に存在する、または前記部分、要素もしくは特徴のうちの2以上の任意のもしくは全ての組み合わせで集合的に存在すると広く言うこともでき、本発明が関連する技術分野で公知の等価物を有する特定の整数が本明細書に記載されている場合には、そのような公知の等価物は個々に記載されたものとして本明細書に組み込まれるとみなされる。   The invention is present individually in the parts, elements and features mentioned or shown in the specification of the present application, or collectively in any or all combinations of two or more of said parts, elements or features. It can also be said broadly that, where specific integers having equivalents known in the art to which the present invention pertains are described herein, such known equivalents are those individually listed. As being incorporated herein.

全てのその新規な態様において考慮されるべきである本発明のこれらのおよび他の態様は、添付の図面を参照することで、例としてのみ与えられる以下の説明から明らかになるであろう。   These and other aspects of the invention that should be considered in all its novel aspects will become apparent from the following description, given by way of example only, with reference to the accompanying drawings.

バイオマス液化プロセスを含む本発明のシステムを示す例示的な統合スキームである。2 is an exemplary integration scheme illustrating the system of the present invention including a biomass liquefaction process. 本発明の第2の態様によるバイオマス液化プロセスから誘導されるガス状基質の発酵によって、1種類以上の生成物を生成するためのシステムおよび方法を示す例示的な統合スキームである。3 is an exemplary integrated scheme illustrating a system and method for producing one or more products by fermentation of a gaseous substrate derived from a biomass liquefaction process according to a second aspect of the present invention.

定義
以下は、好ましい実施形態を含み、一般用語で与えられる本発明の説明である。
Definitions The following is a description of the invention given in general terms, including preferred embodiments.

本明細書で言及する「発酵ブロス」とは、少なくとも栄養培地および細菌細胞を含む培地である。   The “fermentation broth” referred to herein is a medium containing at least a nutrient medium and bacterial cells.

「効率の増加」および「増加した効率」などの用語は、発酵プロセスに関連して使用される場合に、発酵を触媒する微生物の増殖速度、上昇した生成物濃度での増殖速度および/または生成物の生成速度、消費される基質の体積当たりの生成される所望の生成物の体積、所望の生成物の生成速度または生成レベル、ならびに発酵の他の副産物と比較した生成される所望の生成物の相対的割合のうちの1以上の増加を含むが、これらに限定されない。   Terms such as “increased efficiency” and “increased efficiency” when used in connection with a fermentation process, the growth rate of microorganisms that catalyze the fermentation, the growth rate and / or production at elevated product concentrations. Product production rate, volume of desired product produced per volume of substrate consumed, production rate or level of desired product, and desired product produced compared to other by-products of fermentation Including, but not limited to, an increase in one or more of the relative proportions of

「一酸化炭素を含む基質」という語句および類似の用語は、任意の基質を含むと理解されるべきであり、例えば、その中の一酸化炭素は、増殖および/または発酵のための1種類以上の細菌株に利用できる。この基質は「一酸化炭素を含むガス状基質」であり得、類似の語句および用語は、ある程度の一酸化炭素を含む任意のガスを含む。特定の実施形態において、この基質は、少なくとも約20体積%〜約100体積%、20体積%〜約70体積%、30体積%〜約60体積%、および40体積%〜約55体積%のCOを含む。特定の実施形態において、この基質は、約25体積%、約30体積%、約35体積%、約40体積%、約45体積%、約50体積%、約55体積%、または約60体積%のCOを含む。   The phrase “substrate comprising carbon monoxide” and similar terms should be understood to include any substrate, eg, carbon monoxide therein is one or more types for growth and / or fermentation. Available for various bacterial strains. The substrate may be a “gaseous substrate containing carbon monoxide”, and similar phrases and terms include any gas that contains some carbon monoxide. In certain embodiments, the substrate comprises at least about 20% to about 100%, 20% to about 70%, 30% to about 60%, and 40% to about 55% CO by volume. including. In certain embodiments, the substrate is about 25%, about 30%, about 35%, about 40%, about 45%, about 50%, about 55%, or about 60% by volume. Of CO.

基質にとって水素を含有することは必要ではないが、Hの存在は、本発明の方法による生成物形成に有害であってはならない。特定の実施形態において、水素の存在は、全体的な効率が改善されたアルコール生成をもたらす。例えば、特定の実施形態において、基質のH:COの比は、約2:1、1:1または1:2であり得る。一実施形態において、基質は、約30体積%以下、20体積%以下、約15体積%以下、または約10体積%以下のHを含む。他の実施形態において、基質流は、低濃度、例えば、5%未満、4%未満、3%未満、2%未満、もしくは1%未満のHを含むか、または実質的に水素を含まない。この基質は、約1体積%〜約80体積%、または1体積%〜約30体積%のCOなどのある程度のCOも含んでいてよい。一実施形態において、この基質は、約20体積%以下のCOを含む。特定の実施形態において、この基質は、約15体積%以下、約10体積%以下、約5体積%以下のCOを含むか、または実質的にCOを含まない。 It is not necessary to contain hydrogen to substrate, the presence of H 2 is not deleterious to product formation by the method of the present invention. In certain embodiments, the presence of hydrogen results in alcohol production with improved overall efficiency. For example, in certain embodiments, the H 2 : CO ratio of the substrate can be about 2: 1, 1: 1, or 1: 2. In one embodiment, the substrate comprises about 30% or less, 20% or less, about 15% or less, or about 10% or less H 2 by volume. In other embodiments, the substrate stream comprises a low concentration, eg, less than 5%, less than 4%, less than 3%, less than 2%, or less than 1% H 2 or substantially free of hydrogen. . The substrate may comprise about 1% to about 80% by volume, or 1 percent by volume to about 30% by volume of CO 2 some CO 2, such as also. In one embodiment, the substrate comprises about 20% or less CO 2 by volume. In certain embodiments, the substrate is about 15 vol% or less, about 10 vol% or less, or about 5% by volume of CO 2, or substantially free of CO 2.

以下の説明において、本発明の実施形態を、「CO含有ガス状基質」の送達および発酵の観点から説明する。しかし、このガス状基質は、代替的な形態で提供されてもよいことが理解されるべきである。例えば、CO含有ガス状基質は、液体中に溶解されて提供されてもよい。本質的に、液体は、一酸化炭素含有ガスで飽和され、その後、その液体がバイオリアクターに添加される。これは、標準的な方法を用いて達成することができる。一例として、マイクロバブル分散物発生装置(Hensirisak et.al.Scale−up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation;Applied Biochemistry and Biotechnology 101巻、No.3/2002年10月)を使用することができる。さらなる例として、CO含有ガス状基質は、固体支持体上に吸着されていてもよい。このような代替方法は、「CO含有基質」などの用語の使用によって包含される。   In the following description, embodiments of the present invention are described in terms of “CO-containing gaseous substrate” delivery and fermentation. However, it should be understood that the gaseous substrate may be provided in alternative forms. For example, the CO-containing gaseous substrate may be provided dissolved in a liquid. In essence, the liquid is saturated with a carbon monoxide containing gas, after which the liquid is added to the bioreactor. This can be achieved using standard methods. As an example, a microbubble dispersion generator (Hensirisak et. Al. Scale-up of microbubble disperser generator for aerobic fermentation; Applied Biochemistry and Biotechnology. As a further example, the CO-containing gaseous substrate may be adsorbed on a solid support. Such alternative methods are encompassed by the use of terms such as “CO-containing substrate”.

本発明の特定の実施形態において、CO含有ガス状基質は、工業オフガスまたは廃ガスである。「工業廃ガスまたはオフガス」は、工業プロセスによって生成されるCOを含む任意のガスを含み、鉄金属生成物製造、非鉄生成物製造、石油精製プロセス、石炭の気化、バイオマスの気化、電力生産、カーボンブラック生成、およびコークス製造の結果として生成されるガスを含むと広く解釈されるべきである。さらなる例を、本明細書の他の箇所に提供することができる。   In certain embodiments of the invention, the CO-containing gaseous substrate is an industrial off-gas or waste gas. “Industrial waste gas or off-gas” includes any gas containing CO produced by an industrial process, including ferrous metal product production, non-ferrous product production, petroleum refining process, coal vaporization, biomass vaporization, power production, It should be broadly construed to include carbon black production and gas produced as a result of coke production. Further examples can be provided elsewhere herein.

文脈上他の意味に解すべき場合を除き、本明細書で使用する「発酵」、「発酵プロセス」または「発酵反応」などの語句は、プロセスの増殖相および生成物生合成相の両方を包含することが意図される。いくつかの実施形態において、バイオリアクターは、第1の増殖リアクターおよび第2のまたはさらなる発酵リアクターを含んでもよい。このように、発酵反応への金属または組成物の添加は、これらの反応器のいずれか1つに添加することを含むと理解されるべきである。   Unless the context requires otherwise, terms such as “fermentation”, “fermentation process” or “fermentation reaction” as used herein encompass both the growth phase and the product biosynthesis phase of the process. Is intended to be. In some embodiments, the bioreactor may include a first growth reactor and a second or additional fermentation reactor. Thus, the addition of a metal or composition to a fermentation reaction should be understood to include adding to any one of these reactors.

「バイオリアクター」という用語は、連続攪拌タンク反応器(CSTR)、固定化細胞反応器(ICR)、トリクルベッド反応器(TBR)、気泡塔、ガスリフト発酵槽、スタティックミキサー、または気液接触に適する他の容器もしくは他の装置を含む1以上の容器および/もしくはタワーまたは配管からなる発酵装置を含む。いくつかの実施形態において、このバイオリアクターは、第1の増殖リアクターおよび第2のまたはさらなる発酵リアクターを含んでもよい。このように、バイオリアクターまたは発酵反応への基質の添加に言及する場合には、必要に応じて、これらの反応器のいずれか1つに添加することを含むと理解されるべきである。   The term “bioreactor” is suitable for continuous stirred tank reactor (CSTR), immobilized cell reactor (ICR), trickle bed reactor (TBR), bubble column, gas lift fermenter, static mixer, or gas-liquid contact It includes one or more containers containing other containers or other equipment and / or fermentation equipment consisting of towers or piping. In some embodiments, the bioreactor may include a first growth reactor and a second or additional fermentation reactor. Thus, when referring to the addition of a substrate to a bioreactor or fermentation reaction, it should be understood to include adding to any one of these reactors as needed.

説明
本発明者らは、驚くべきことに、バイオマス液化プロセスを含む統合システムおよびガス発酵プロセスを用いて、有用な発酵生成物を生成することができることを見出した。バイオマス液化プロセスは、ガス発酵プロセスでの使用に特に適するガス状基質を生成するように適合され得る。
DESCRIPTION The inventors have surprisingly found that an integrated system including a biomass liquefaction process and a gas fermentation process can be used to produce useful fermentation products. The biomass liquefaction process can be adapted to produce a gaseous substrate that is particularly suitable for use in a gas fermentation process.

COおよびCOならびに/もしくはHは、任意の便利な方法を使用してバイオマス液化プロセスから捕捉されるかまたは導かれる。ガス状基質の組成に応じて、発酵に導入する前に、望ましくない不純物を除去するためにそれを処理することが望ましい場合もある。例えば、基質は、公知の方法を用いて濾過または洗浄されてもよい。しかし、本発明者らは、発酵に使用される微生物培養物が、液化生成物に見られ得る不純物に対して驚くほど高い耐性を有することを見出した。液化ガス生成物は、比較的不純であり、微生物発酵での使用に適さないと思われるが、発酵は実際に進行し、有用な発酵生成物を生成することができる。 CO and CO 2 and / or H 2 are captured or derived from the biomass liquefaction process using any convenient method. Depending on the composition of the gaseous substrate, it may be desirable to treat it to remove unwanted impurities prior to introduction into the fermentation. For example, the substrate may be filtered or washed using known methods. However, the inventors have found that the microbial culture used for fermentation has a surprisingly high resistance to impurities that may be found in the liquefied product. Although the liquefied gas product appears to be relatively impure and unsuitable for use in microbial fermentation, the fermentation actually proceeds and can produce a useful fermentation product.

さらに、ガスのCO、COおよび/またはHの最終濃度および相対濃度は、特定の液化プロセスパラメータを調整することにより、微生物発酵のために最適化することができる。例えば、液化プロセスの間により低い温度を維持することによって、液体の収率を最大化することができる。しかし、液化プロセス中により高い温度を使用することにより、CO量の増加がもたらされる。この段階でのCOガスの増加が、発酵プロセス中のエタノール収率の増加を可能にするので、このCOの増加は、発酵プロセスに有益であり得る。 Furthermore, the final and relative concentrations of CO, CO 2 and / or H 2 in the gas can be optimized for microbial fermentation by adjusting certain liquefaction process parameters. For example, by maintaining a lower temperature during the liquefaction process, the liquid yield can be maximized. However, using higher temperatures during the liquefaction process results in an increase in CO content. This increase in CO can be beneficial to the fermentation process because an increase in CO gas at this stage allows for an increase in ethanol yield during the fermentation process.

微生物バイオマス
本発明は、発酵からのバイオマスのリサイクルのための統合システムも提供する。本発明のこの実施形態において、バイオマス液化プロセスで使用されるバイオマスの少なくとも一部は、バイオリアクターから回収されたバイオマスを含む。回収されたバイオマスは、主に微生物培養物からの死んだ細胞物質からなる。
Microbial biomass The present invention also provides an integrated system for the recycling of biomass from fermentation. In this embodiment of the invention, at least a portion of the biomass used in the biomass liquefaction process comprises biomass recovered from the bioreactor. The recovered biomass consists mainly of dead cell material from microbial cultures.

バイオマスは除去およびリサイクルされ、本明細書に記載のものなどの1以上のバイオマス液化プロセスによって処理される。水分、発酵生成物を除去するため、または他の方法でその特性を変更するために、液化前に除去されたバイオマスを処理することが望ましい場合がある。   Biomass is removed and recycled and processed by one or more biomass liquefaction processes such as those described herein. It may be desirable to treat the removed biomass prior to liquefaction to remove moisture, fermentation products, or otherwise modify its properties.

公知の液化プロセスは、農業廃棄物および他の一般的なバイオマス源を含むバイオマスを使用する場合が多い。しかし、これらの原料は、最適な液化処理には大きすぎる粒径を含む場合が多い。本発明は、微生物発酵から回収されたバイオマス原料を提供する。この発酵バイオマスは、小さな粒径を有しており、効率的な液化処理にふさわしい乾燥微粉化バイオマス原料として調製することが簡単である。   Known liquefaction processes often use biomass, including agricultural waste and other common biomass sources. However, these raw materials often contain particle sizes that are too large for optimal liquefaction treatment. The present invention provides biomass feedstock recovered from microbial fermentation. This fermented biomass has a small particle size, and can be easily prepared as a dry pulverized biomass raw material suitable for efficient liquefaction treatment.

焙焼
焙焼は、酸素の非存在下での摂氏150〜340℃の範囲内でのバイオマスの熱化学処理である。このプロセスでは、バイオマス(特にヘミセルロース)が分解し部分的に様々な種類の揮発性物質を生じる。残りの焙焼バイオマス(固体)が質量単位あたり約30%より多いエネルギー含量を有する。焙焼プロセスは、本明細書に記載の発酵プロセスで使用できるCO、COおよび/またはHを生成する。特定の実施形態において、1種類以上の焙焼ガスの少なくとも一部は、CO含有基質に添加され、発酵プロセスに送られる。
Roasting Roasting is a thermochemical treatment of biomass in the range of 150-340 ° C. in the absence of oxygen. In this process, the biomass (especially hemicellulose) decomposes and partially produces various types of volatile materials. The remaining roasted biomass (solid) has an energy content greater than about 30% per mass unit. The roasting process produces CO, CO 2 and / or H 2 that can be used in the fermentation processes described herein. In certain embodiments, at least a portion of the one or more roasting gases is added to the CO-containing substrate and sent to the fermentation process.

特定の実施形態において、1以上のバイオマス液化プロセスは、焙焼および熱分解を含む。好ましくは、バイオマスは、最初に焙焼に共され、焙焼バイオマスを生成し、その後焙焼バイオマスの少なくとも一部が熱分解に供される。熱分解プロセスの少なくとも1種類のガス状生成物がバイオリアクターに送られる。一実施形態において、熱分解プロセスの少なくとも1種類のガス状生成物は、焙焼法によって生成されるCO含有基質に添加される。一実施形態において、熱分解プロセスの少なくとも1種類のガス状生成物は、CO、COおよびHからなる群から選択される。 In certain embodiments, the one or more biomass liquefaction processes include roasting and pyrolysis. Preferably, the biomass is first subjected to roasting to produce roasted biomass, after which at least a portion of the roasted biomass is subjected to pyrolysis. At least one gaseous product of the pyrolysis process is sent to the bioreactor. In one embodiment, at least one gaseous product of the pyrolysis process is added to a CO-containing substrate produced by a roasting process. In one embodiment, the at least one gaseous product of the pyrolysis process is selected from the group consisting of CO, CO 2 and H 2 .

特定の実施形態において、CO含有基質はさらに、焙焼、気化または熱分解プロセスの生成物であるCOを含む。 In certain embodiments, the CO-containing substrate further comprises CO 2 that is the product of a roasting, vaporization or pyrolysis process.

特定の実施形態において、CO含有基質はさらに、熱分解、または焙焼、気化プロセスの生成物であるHを含む。 In certain embodiments, CO-containing substrate further containing H 2 is pyrolysis or roasting, the product of the vaporization process.

特定の実施形態において、このシステムはさらに、焙焼バイオマスを生成するためにバイオマスを焙焼に供するように適合された焙焼ゾーン、ならびにCO、COおよび/またはHを含む1種類以上の焙焼ガスの少なくとも一部をバイオリアクターに送るように適合された出口を含む。 In certain embodiments, the system further includes a roasting zone adapted to subject the biomass to roasting to produce roasted biomass, and one or more types comprising CO, CO 2 and / or H 2 . An outlet adapted to send at least a portion of the roasting gas to the bioreactor;

一実施形態において、熱分解ゾーンは、焙焼ゾーンから焙焼バイオマスの少なくとも一部を受け取るように適合されている。   In one embodiment, the pyrolysis zone is adapted to receive at least a portion of the roasted biomass from the roasting zone.

特定の実施形態において、熱分解ゾーン、焙焼ゾーンおよび/または気化ゾーンは、さらに、1種類以上のガス生成物の少なくとも一部をバイオリアクターに送るように適合された1以上の出口を含む。好ましくは、ガス生成物は、CO、COおよび/またはHを含む。 In certain embodiments, the pyrolysis zone, roasting zone and / or vaporization zone further includes one or more outlets adapted to deliver at least a portion of the one or more gas products to the bioreactor. Preferably the gas product comprises CO, CO 2 and / or H 2 .

一実施形態において、焙焼ゾーン、熱分解ゾーン、または気化ゾーンのいずれか1つによって生成されるガス状生成物は、ガス流(複数可)の少なくとも一部を分離するように動作する分離ゾーンに送られる。一実施形態において、分離ゾーンは、ガス流からCOを分離するための条件下で動作し、COに富む流れ、およびCOとHに富む流れを生成する。 In one embodiment, the gaseous product produced by any one of the roasting zone, pyrolysis zone, or vaporization zone is a separation zone that operates to separate at least a portion of the gas stream (s). Sent to. In one embodiment, the separation zone operates under conditions for separating CO 2 from the gas stream and produces a CO 2 rich stream and a CO and H 2 rich stream.

熱分解
特定の実施形態において、バイオマス液化プロセスは熱分解を含む。熱分解プロセスは、CO含有ガス状基質および熱分解生成物を生成する。熱分解生成物は、熱分解油および炭からなる群から選択される。熱分解は、低酸素環境/無酸素環境下でバイオマスを加熱することにより、バイオマスからこれらの生成物を生成する。酸素が存在しないと、燃焼を防げる。熱分解からの生成物の相対収量は、温度によって変化する。400〜500℃(752〜932°F)の温度はより多くの炭を生成するが、700℃(1,292°F)を超える温度は、液体およびガス燃料成分の収率を有利にする。
Pyrolysis In certain embodiments, the biomass liquefaction process includes pyrolysis. The pyrolysis process produces a CO-containing gaseous substrate and pyrolysis products. The pyrolysis product is selected from the group consisting of pyrolysis oil and charcoal. Pyrolysis produces these products from biomass by heating the biomass in a hypoxic / anoxic environment. In the absence of oxygen, combustion can be prevented. The relative yield of product from pyrolysis varies with temperature. Temperatures of 400-500 ° C (752-932 ° F) produce more char, but temperatures above 700 ° C (1,292 ° F) favor liquid and gaseous fuel component yields.

熱分解は、高温で、典型的には、時間ではなく秒単位でより迅速に生じる。高温の熱分解も、気化として知られており、主に合成ガスを生成する。典型的な収率は、(バイオオイルとしても知られる)熱分解油が60%、バイオ炭が20%、および合成ガスが20%である。比較すると、低速の熱分解が、実質的により多くの炭(約50%)を生成することができる。初期化されると、両方のプロセスは正味のエネルギーを生成する。典型的な投入のために、「高速」熱分解装置を実行するのに必要なエネルギーは、それが産出するエネルギーの約15%である。   Pyrolysis occurs at higher temperatures, typically more quickly in seconds rather than time. High temperature pyrolysis, also known as vaporization, mainly produces synthesis gas. Typical yields are 60% pyrolysis oil (also known as biooil), 20% biochar, and 20% syngas. In comparison, slow pyrolysis can produce substantially more charcoal (about 50%). When initialized, both processes generate net energy. For typical inputs, the energy required to run a “fast” pyrolysis device is about 15% of the energy it produces.

特定の実施形態において、液化プロセス中に生成されるエネルギーを用いて、発酵反応およびその後の発酵生成物の分離の効率を高めてもよい。特定の実施形態において、このエネルギーを用いて、発酵基質を加熱または冷却するか、または例えば、蒸留によって発酵生成物の分離を可能にする。   In certain embodiments, the energy generated during the liquefaction process may be used to increase the efficiency of the fermentation reaction and subsequent separation of the fermentation product. In certain embodiments, this energy is used to heat or cool the fermentation substrate or to allow separation of the fermentation product, for example, by distillation.

「高速」熱分解は、大気圧および中程度の温度(400〜500℃)で動作するという利点を有する。熱分解油の収率は70%w/wを超え得る。本発明で使用することができる高速熱分解炉にはいくつかの種類がある。特定の実施形態は、バブリング流動床、循環流動層/輸送炉、回転コーン熱分解装置、切除熱分解装置、真空熱分解装置およびオーガーリアクター(Auger reactor)からなる群から選択される反応器を含む。バブリング媒体または循環媒体のいずれかを有する流動床反応器が、高速熱分解のために最も一般的に用いられている。オーガーリアクターは、それらの単純さおよび制御の容易さにより使用されているが、それらは、流動床反応器を用いて得られる急速発熱率を達成できない。SadakaおよびBoateng(2009)は、熱分解のために使用される反応器の種類を概説している。   “Fast” pyrolysis has the advantage of operating at atmospheric pressure and moderate temperatures (400-500 ° C.). The yield of pyrolysis oil can exceed 70% w / w. There are several types of fast pyrolysis furnaces that can be used in the present invention. Particular embodiments include a reactor selected from the group consisting of a bubbling fluidized bed, a circulating fluidized bed / transport furnace, a rotating cone pyrolysis device, an ablation pyrolysis device, a vacuum pyrolysis device, and an Auger reactor. . Fluidized bed reactors having either a bubbling medium or a circulating medium are most commonly used for fast pyrolysis. Auger reactors are used because of their simplicity and ease of control, but they cannot achieve the rapid exotherm obtained with fluidized bed reactors. Sadaka and Boateng (2009) outline the types of reactors used for pyrolysis.

熱分解プロセスの間に、バイオマスの有機成分(すなわち、セルロース、ヘミセルロース、およびリグニン)が分解および脱重合され、蒸気とミクロンサイズの液滴のエアロゾルの混合物を形成する。反応時間を延長すると、エアロゾルの2次反応を促進し、低分子量の炭化水素(例えば、CH、Cなど)ならびに合成ガス(COおよびCOおよび/またはH)の形成が増加する。混合物の急速冷却および濃縮により熱分解油が形成される。特定の実施形態において、熱分解ガスの少なくとも一部は、CO含有基質の一部としてバイオリアクターに送られる。 During the pyrolysis process, the organic components of the biomass (ie, cellulose, hemicellulose, and lignin) are decomposed and depolymerized to form a mixture of vapor and micron-sized droplet aerosols. Extending the reaction time promotes aerosol secondary reactions and increases the formation of low molecular weight hydrocarbons (eg, CH 4 , C 2 H 6, etc.) and synthesis gas (CO and CO 2 and / or H 2 ). To do. Pyrolysis oil is formed by rapid cooling and concentration of the mixture. In certain embodiments, at least a portion of the pyrolysis gas is sent to the bioreactor as part of the CO-containing substrate.

(大体、Cで表される)熱分解油は、酸素化有機化合物(例えば、酸類、アルコール類、アルデヒド類、エステル類、フラン類、ケトン類、糖類、フェノール類および多くの多官能性化合物)と水(典型的には、約15〜30%w/w)の複雑な混合物である。元素ベースでは、親バイオマスと組成的に類似しており、それゆえに、「液体植物物質」と呼ばれることもある。 Pyrolyzed oils (generally represented by C 6 H 8 O 4 ) are oxygenated organic compounds (eg acids, alcohols, aldehydes, esters, furans, ketones, sugars, phenols and many Polyfunctional compound) and a complex mixture of water (typically about 15-30% w / w). On an elemental basis, it is compositionally similar to the parent biomass and is therefore sometimes referred to as “liquid plant material”.

バイオマス由来の熱分解油は、炭素が豊富で、原油と同様の方法で精製することができる。固形バイオマス物質と比較して、輸送および貯蔵の容易さと共に、熱分解油は、石油精製における燃料および化学物質の生成のための潜在的原料として機能し得る。熱分解油を用いて、輸送燃料を含むバイオ燃料を生成してもよい。熱分解油は、未処理の形態で使用されてもよいが、後処理は、特定の用途のために熱分解油を最適化することが望ましい場合がある。   Pyrolysis oil derived from biomass is rich in carbon and can be refined in the same manner as crude oil. Compared to solid biomass materials, with ease of transportation and storage, pyrolysis oil can serve as a potential feedstock for the production of fuels and chemicals in petroleum refining. Pyrolysis oil may be used to produce biofuel including transportation fuel. Although pyrolysis oil may be used in untreated form, post-treatment may be desirable to optimize the pyrolysis oil for a particular application.

特定の実施形態において、熱分解油は、発酵基質で使用される前に気化される。   In certain embodiments, the pyrolysis oil is vaporized prior to use with the fermentation substrate.

熱分解油はより少ない量の微量金属を含み、硫黄は低排出燃焼燃料として特に有用である。熱分解プロセスからの熱分解油の回収および炭などの副産物からの分離は、公知の方法に従って行ってもよい。   Pyrolytic oil contains lower amounts of trace metals and sulfur is particularly useful as a low emission combustion fuel. Recovery of pyrolysis oil from the pyrolysis process and separation from byproducts such as charcoal may be performed according to known methods.

熱分解油の比較的高い酸素含有量は、ほとんどの化石燃料と比べて発熱量を減少させる(例えば、重油の発熱量の約半分)。この高い酸素含量および水分含量が、特定の状況において、熱分解油を従来の炭化水素燃料よりも劣らせ得る。さらに、液体の相分離および重合、ならびに容器の腐食により、これらの液体の貯蔵は困難になる。   The relatively high oxygen content of pyrolysis oil reduces the calorific value compared to most fossil fuels (eg, about half the calorific value of heavy oil). This high oxygen content and moisture content can make pyrolysis oils inferior to conventional hydrocarbon fuels in certain situations. In addition, liquid phase separation and polymerization, and container erosion make storage of these liquids difficult.

熱分解油の改良を用いて、穏やかな水素処理、その後の水素化分解法によって熱分解油をガソリンに変換することができる。このような方法は当技術分野で公知である。しかし、水素生成は資本集約的であり、特に低純度の流れから、水素生成および回収効率を高める方法を開発することが望ましい。水素回収がない場合には、このような流れは、燃料ガスで終わるかまたはフレアに送られ、高価な水素成分が効率的に無駄になる。   The pyrolysis oil modification can be used to convert the pyrolysis oil to gasoline by mild hydrotreating followed by hydrocracking. Such methods are known in the art. However, hydrogen production is capital intensive and it is desirable to develop a method that increases hydrogen production and recovery efficiency, especially from low purity streams. In the absence of hydrogen recovery, such a stream ends with fuel gas or is sent to a flare, and expensive hydrogen components are efficiently wasted.

本発明は、Hを含む流出ガス流が発酵バイオリアクターから水素化ゾーンに送られ、そこで熱分解ゾーンから熱分解油を受け取る方法およびシステムを提供する。Hは熱分解油と接触し、その油を水素化して、炭化水素生成物を生成する。炭化水素生成物は、6〜20個の炭素を有する。一実施形態において、炭化水素生成物はハイグレードの灯油である。一実施形態において、水素化ゾーンは、ジェット燃料用の炭化水素生成物を生成するための条件下で動作する。一実施形態において、水素化は、蒸気改質装置モジュールで発生する。 The present invention provides a method and system in which an effluent gas stream comprising H 2 is sent from a fermentation bioreactor to a hydrogenation zone where it receives pyrolysis oil from the pyrolysis zone. H 2 comes into contact with the pyrolysis oil and hydrogenates the oil to produce a hydrocarbon product. The hydrocarbon product has 6 to 20 carbons. In one embodiment, the hydrocarbon product is a high grade kerosene. In one embodiment, the hydrogenation zone operates under conditions to produce a hydrocarbon product for jet fuel. In one embodiment, the hydrogenation occurs in a steam reformer module.

特定の実施形態において、熱分解油を、バイオリアクターから受け取った水素を含む流出ガス流と接触させる。CO含有基質はバイオリアクターに供給される。この基質は、熱分解プロセスの、または代替バイオマス液化プロセスの副産物として生成された可能性のあるガスを含む。特定の実施形態において、CO含有基質はHも含む。発酵プロセスは、この基質のCO成分および必要に応じてCO成分の少なくとも一部を固定し、したがって、より高い濃度の水素を有する流出ガス流をもたらす。 In certain embodiments, the pyrolysis oil is contacted with an effluent gas stream comprising hydrogen received from the bioreactor. The CO-containing substrate is fed to the bioreactor. This substrate includes gases that may have been produced as a by-product of the pyrolysis process or alternative biomass liquefaction process. In certain embodiments, CO-containing substrate also comprises H 2. The fermentation process fixes the CO component of this substrate and optionally at least a portion of the CO 2 component, thus resulting in an effluent gas stream having a higher concentration of hydrogen.

本発明は、水素精製装置としての発酵反応を使用し、次いで、優れた品質のバイオ燃料に熱分解油を改良するために水素を使用する方法およびシステムを提供する。これらの高品質の最終生成物は、熱分解油の高価な貯蔵または輸送を必要とすることなく、かつ熱分解油の改良プロセスで使用するために取得および貯蔵される高純度水素を必要とすることなく生成することができる。発酵が効果的に水素膜として機能すると、バイオリアクターに提供される基質と比較して、Hが未変換のまま通過し、流出ガス流中のHを濃縮することが可能になる。 The present invention provides a method and system that uses a fermentation reaction as a hydrogen purifier and then uses hydrogen to improve the pyrolysis oil to a superior quality biofuel. These high quality end products do not require expensive storage or transportation of pyrolysis oil and require high purity hydrogen that is obtained and stored for use in the pyrolysis oil modification process. Can be generated without. When fermentation acts as an effective hydrogen film, as compared with the substrate provided to the bioreactor, through H 2 is unconverted, it is possible to concentrate the H 2 in effluent gas stream.

流出流がHおよび許容できないレベルの不純物または他のガス種を含む場合、さらなる精製は熱分解油の改良の前が望ましい場合がある。精製法は、当業者に公知であり、圧力スイング吸着プロセスの使用を含んでもよい。圧力スイング吸着(PSA)プロセスを用いて、不純な流れから水素を回収するか、または流れの中で水素の純度を高めてもよい。Hを含むガス流は、高圧でCO、CO、CH、NおよびHOを吸着する分子篩システムに入る。水素は、ふるいを通過することが可能であり、約65〜90%の収率で回収される(より高い収率はより低い最終H生成物の純度と関連づけられる)。飽和すると、ふるいは減圧され、その後、脱着ガスは可能な限り最小量の水素生成物を用いて掃き出される。大量の吸着種はより低い再生圧力で放出されるので、再生の程度は圧力の関数である。これは、順番に、より多くの水素回収につながる。したがって、大気圧に近い再生圧力は、水素回収を最大化する。その後、容器は、吸着剤として次の期間のために準備された水素で再加圧される。商用システムは、典型的には、円滑な動作を与えるために3つまたは4つの容器を有する。PSA工程から産出される典型的なガス流は、以下のものを含む:H(約7〜27%)、CO、COおよびCHIf the effluent stream contains H 2 and unacceptable levels of impurities or other gas species, further refining may be desirable prior to pyrolysis oil improvement. Purification methods are known to those skilled in the art and may involve the use of a pressure swing adsorption process. A pressure swing adsorption (PSA) process may be used to recover hydrogen from an impure stream or to increase the purity of the hydrogen in the stream. The gas stream containing H 2 enters a molecular sieve system that adsorbs CO 2 , CO, CH 4 , N 2 and H 2 O at high pressure. Hydrogen is able to pass through the sieve is collected (higher yields are associated with purity of lower final H 2 product) at about 65 to 90% yield. When saturated, the sieve is depressurized, after which the desorption gas is purged with the smallest possible amount of hydrogen product. Since large amounts of adsorbed species are released at lower regeneration pressures, the extent of regeneration is a function of pressure. This in turn leads to more hydrogen recovery. Thus, a regeneration pressure close to atmospheric pressure maximizes hydrogen recovery. The vessel is then repressurized with hydrogen prepared for the next period as an adsorbent. Commercial systems typically have three or four containers to provide smooth operation. Typical gas flow produced from the PSA step may include the following: H 2 (about 7~27%), CO 2, CO and CH 4.

気化
特定の実施形態において、固体および/または液体供給原料は、固体および/または液体のバイオマスを受け取るように適合された気化ゾーン内で気化される。気化生成物の少なくとも一部は、CO含有基質の一部としてバイオリアクターに送られる。特定の実施形態において、原料は、固体の熱分解生成物、例えば、炭、または液体熱分解生成物、例えば、熱分解油である。
Vaporization In certain embodiments, the solid and / or liquid feed is vaporized in a vaporization zone adapted to receive solid and / or liquid biomass. At least a portion of the vaporized product is sent to the bioreactor as part of the CO-containing substrate. In certain embodiments, the feedstock is a solid pyrolysis product, such as charcoal, or a liquid pyrolysis product, such as pyrolysis oil.

気化時には、原料は、以下のプロセスを経る。
a.脱水は約100℃で生じる。典型的には、得られる蒸気はガス流中で混合され、その後の化学反応は、温度が十分に高い場合に、特に水性ガス反応に関与し得る(ステップ5参照)。
b.熱分解プロセスは、約200〜300℃で生じる。揮発性物質が放出され、炭が生成し、石炭について最大70%の重量損失をもたらす。このプロセスは、炭素質材料の特性に依存し、炭の構造および組成を決定し、その後、気化反応を受ける。
c.燃焼プロセスは揮発性生成物として生じ、炭の一部は酸素と反応して、主に二酸化炭素および少量の一酸化炭素を形成し、その後の気化反応のための熱を提供する。
d.炭が炭素、蒸気およびCOと反応した時に気化が起こり、一酸化炭素および水素を生成する。さらに、可逆的気相水性ガスシフト反応は、気化炉内の温度で非常に高速で平衡に達する。これは、一酸化炭素、蒸気、二酸化炭素および水素の濃度のバランスをとる。
At the time of vaporization, the raw material goes through the following process.
a. Dehydration occurs at about 100 ° C. Typically, the resulting vapor is mixed in a gas stream, and subsequent chemical reactions can be particularly involved in water gas reactions when the temperature is high enough (see step 5).
b. The pyrolysis process occurs at about 200-300 ° C. Volatile materials are released and char is produced, resulting in a weight loss of up to 70% for the coal. This process depends on the properties of the carbonaceous material, determines the charcoal structure and composition, and then undergoes a vaporization reaction.
c. The combustion process occurs as a volatile product, and some of the charcoal reacts with oxygen to form mainly carbon dioxide and a small amount of carbon monoxide, providing heat for the subsequent vaporization reaction.
d. Vaporization occurs when charcoal reacts with carbon, steam and CO 2 to produce carbon monoxide and hydrogen. Furthermore, the reversible gas phase water gas shift reaction reaches equilibrium at a very high rate at the temperature in the vaporizer. This balances the concentrations of carbon monoxide, steam, carbon dioxide and hydrogen.

炭の変換
炭は、バイオマスの熱分解により生成される固体木炭である。土壌の肥沃度を増加させるか、農業の生産性を高めるか、または低グレードの土壌を改善するために、土壌改良などの特定の目的のために使用される場合に、炭はバイオ炭と呼ぶことができる。炭の使用は森林伐採を減らすことができ、炭素隔離による地球温暖化の緩和法とみなされてきた。
Charcoal conversion Charcoal is a solid charcoal produced by pyrolysis of biomass. Charcoal is called biochar when used for specific purposes, such as soil improvement, to increase soil fertility, increase agricultural productivity, or improve low grade soil be able to. The use of charcoal can reduce deforestation and has been regarded as a way to mitigate global warming through carbon sequestration.

炭の品質は、供給源および生成プロセスに依存して異なる。土壌改良剤として使用される場合に、炭は、水質を改善し、温室効果ガスの土壌排出量を削減し、栄養素浸出を減少させ、土壌の酸性度を減少させ、灌漑および肥料の要件を低減することができる。   Charcoal quality varies depending on the source and production process. When used as a soil conditioner, charcoal improves water quality, reduces soil emissions of greenhouse gases, reduces nutrient leaching, reduces soil acidity, and reduces irrigation and fertilizer requirements can do.

本発明は、CO含有基質の使用を含む発酵プロセスであって、基質の少なくとも一部が炭変換プロセスによって生成されるプロセスも提供する。   The present invention also provides a fermentation process that includes the use of a CO-containing substrate, wherein at least a portion of the substrate is produced by a charcoal conversion process.

炭は、COの存在下で、炭変換モジュール内で変換を受け、COを形成する。好ましくは、変換用のCOは、バイオリアクター、焙焼ゾーン、気化ゾーンおよび/または熱分解ゾーンからガス再循環導管を経由して炭変換モジュール内で受け取られる。 Charcoal, in the presence of CO 2, undergo conversion in coal conversion module to form CO. Preferably, CO 2 for conversion bioreactor, roasting zone, from the vaporization zone and / or pyrolysis zone via the gas recirculation conduit are received in a coal conversion module.

生成物
本発明は、本明細書に開示された方法およびシステムによって生成される発酵生成物を提供する。特定の実施形態において、発酵生成物はアルコールまたはジオールである。一実施形態において、アルコールはエタノールである。別の実施形態において、ジオールは2,3−ブタンジオールである。特定の実施形態において、1種類以上の発酵生成物は、エタノールおよび2,3−ブタンジオールである。発酵生成物の下流処理は、アルカンまたは他の炭化水素などの誘導体を生成することができる。
Products The present invention provides fermentation products produced by the methods and systems disclosed herein. In certain embodiments, the fermentation product is an alcohol or diol. In one embodiment, the alcohol is ethanol. In another embodiment, the diol is 2,3-butanediol. In certain embodiments, the one or more fermentation products are ethanol and 2,3-butanediol. Downstream processing of the fermentation product can produce derivatives such as alkanes or other hydrocarbons.

本発明はまた、本明細書に記載の方法およびシステムによる熱分解油の処理によって得ることができる1種類以上のアレーン化合物も提供する。特定の実施形態において、1種類以上のアレーン化合物をアルカンと組み合わせて、他の燃料および化合物、特に、輸送燃料を生成することができる。   The present invention also provides one or more arene compounds obtainable by treatment of pyrolysis oil with the methods and systems described herein. In certain embodiments, one or more arene compounds can be combined with alkanes to produce other fuels and compounds, particularly transportation fuels.

CO含有基質ガスに加えて、細菌の増殖および生じる生成物の生成のために、適切な液体栄養培地をバイオリアクターに供給する必要があることを理解されたい。   It should be understood that in addition to the CO-containing substrate gas, an appropriate liquid nutrient medium needs to be supplied to the bioreactor for bacterial growth and production of the resulting product.

特定の実施形態において、発酵は水性培地中で起こる。特定の実施形態において、基質の発酵はバイオリアクター内で起こる。   In certain embodiments, the fermentation occurs in an aqueous medium. In certain embodiments, the fermentation of the substrate occurs in a bioreactor.

基質および培地は、連続的なバッチ方式またはバッチ供給方式でバイオリアクターに供給されてもよい。栄養培地は、使用される微生物の増殖を可能にするのに十分なビタミンおよびミネラルを含有する。COを用いる発酵に適する嫌気性培地は当技術分野で公知である。例えば、適切な培地については、Biebel(2001)に記載されている。本発明の一実施形態において、培地は、本明細書の後の実施例の節に記載されているものである。   Substrate and media may be fed to the bioreactor in a continuous batch mode or batch feed mode. The nutrient medium contains enough vitamins and minerals to allow the growth of the microorganisms used. Anaerobic media suitable for fermentation using CO are known in the art. For example, suitable media are described in Biebel (2001). In one embodiment of the invention, the culture medium is that described in the Examples section later in this specification.

典型的には、COは気体状態で発酵反応に添加される。しかし、本発明の方法は、この状態での基質の添加に限定されない。例えば、一酸化炭素は液体で提供することができる。例えば、液体は一酸化炭素含有ガスで飽和され、その液体がバイオリアクターに添加されてもよい。これは、標準的な方法論を用いて達成されてもよい。一例として、マイクロバブル分散物発生装置(Hensirisak et.al.Scale−up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation;Applied Biochemistry and Biotechnology101巻、No.3/2002年10月)を、この目的のために使用することができる。「ガス流」が本明細書で言及される場合、この用語は、上記の飽和液法などのその流れのガス状成分を輸送する他の形態も包含する。 Typically, CO is added to the fermentation reaction in the gaseous state. However, the method of the present invention is not limited to the addition of the substrate in this state. For example, carbon monoxide can be provided in a liquid. For example, the liquid may be saturated with a carbon monoxide containing gas and the liquid added to the bioreactor. This may be achieved using standard methodologies. As an example, a microbubble dispersion generator (Hensirisak et. Al. Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation), Applied Biochemistry and Biotechnology. be able to. When "gas stream" is referred to herein, the term also encompasses other forms of transporting the gaseous components of that stream, such as the saturated liquid method described above.

ガス状基質
CO含有基質は、少なくとも約20体積%〜約100体積%のCO、40体積%〜95体積%のCO、40体積%〜60体積%のCO、および45体積%〜55体積%のCOなどの任意の割合のCOを含んでいてもよい。特定の実施形態において、この基質は、約25体積%、約30体積%、約35体積%、約40体積%、約45体積%、または約50体積%、約55体積%、または約60体積%のCOを含む。特にHおよびCOも存在する場合に、2%などのより低い濃度のCOを有する基質も適切であり得る。
Gaseous substrate The CO-containing substrate is at least about 20 volume% to about 100 volume% CO, 40 volume% to 95 volume% CO, 40 volume% to 60 volume% CO, and 45 volume% to 55 volume%. It may contain any proportion of CO such as CO. In certain embodiments, the substrate is about 25%, about 30%, about 35%, about 40%, about 45%, or about 50%, about 55%, or about 60% by volume. % CO. Substrates with lower concentrations of CO, such as 2%, may also be appropriate, especially when H 2 and CO 2 are also present.

の存在は、発酵による炭化水素生成物形成に有害であってはならない。特定の実施形態において、水素が存在すると、アルコール生成の全体的な効率が改善する。例えば、特定の実施形態において、基質のH:COの比は、約2:1、1:1または1:2であり得る。他の実施形態において、CO含有基質は、約30%未満、27%未満、20%未満、10%未満、またはより低い濃度のH、例えば、5%未満、4%未満、3%未満、2%未満、もしくは1%未満のHを含むか、または実質的に水素を含まない。さらに他の実施形態において、CO含有基質は、50%を超える、60%を超える、70%を超える、80%を超える、または90%を超えるHを含む。基質は、ある程度のCO、例えば、約1体積%〜約80体積%のCO、または1体積%〜約30体積%のCOを含んでもよい。 The presence of H 2 is not deleterious to hydrocarbon product formation by fermentation. In certain embodiments, the presence of hydrogen improves the overall efficiency of alcohol production. For example, in certain embodiments, the H 2 : CO ratio of the substrate can be about 2: 1, 1: 1, or 1: 2. In other embodiments, the CO-containing substrate is less than about 30%, less than 27%, less than 20%, less than 10%, or a lower concentration of H 2 , eg, less than 5%, less than 4%, less than 3%, less than 2%, or either containing H 2 of less than 1%, or substantially free of hydrogen. In yet another embodiment, CO-containing substrate is more than 50%, more than 60%, greater than 70%, greater than 80%, or containing H 2 greater than 90%. The substrate may include some CO 2 , for example, about 1% to about 80% by volume CO 2 , or 1% to about 30% by volume CO 2 .

発酵条件および微生物
ガス状基質からのエタノールおよび他のアルコールを生成するためのプロセスが知られている。典型的なプロセスは、例えば、WO 2007/117157、WO 2008/115080、WO 2009/022925、WO 2009/064200、米国特許第6,340,581号、同第6,136,577号、同第5,593,886号、同第5,807,722号、および同第5,821,111号に記載のものが含まれ、これらの各々は本明細書に参照により組み込まれる。
Fermentation conditions and microorganisms Processes for producing ethanol and other alcohols from gaseous substrates are known. Exemplary processes include, for example, WO 2007/117157, WO 2008/11080, WO 2009/022925, WO 2009/064200, US Pat. Nos. 6,340,581, 6,136,577, 5 , 593,886, 5,807,722, and 5,821,111, each of which is incorporated herein by reference.

発酵は、望ましくは、生じることが望ましい発酵生成物の生成に適切な発酵条件下で行われるべきである。考慮されるべき反応条件には、圧力、温度、ガス流速、液体流速、培地のpH、培地の酸化還元電位、撹拌速度(連続撹拌槽型反応器を使用する場合)、接種レベル、液相中のCOが律速にならないことを確実にするための最大ガス基質濃度、および生成物阻害を回避するための最大生成物濃度が含まれる。   The fermentation should desirably be performed under fermentation conditions suitable for producing a fermentation product that is desired to occur. Reaction conditions to be considered include pressure, temperature, gas flow rate, liquid flow rate, medium pH, medium redox potential, stirring rate (when using a continuous stirred tank reactor), inoculation level, in liquid phase A maximum gas substrate concentration to ensure that the CO is not rate limiting and a maximum product concentration to avoid product inhibition are included.

さらに、基質流のCO濃度(またはガス状基質中のCO分圧)を増加させ、COが基質である発酵反応の効率を高めることが望ましい場合が多い。圧力を高めて動作させると、発酵生成のための炭素源として微生物が取り込むことができるCOの気相から液相への移動速度を著しく増加させることができる。これは、ひいては、バイオリアクターが大気圧よりも高圧で維持される場合に、(入力ガス流量で割ったバイオリアクター中の液体体積として定義される)保持時間を低減することができることを意味する。最適な反応条件は、使用される本発明の特定の微生物に部分的に依存する。しかし、一般的には、発酵は周囲圧力より高い圧力で行うことが好ましい。また、所与のCOから生成物への変換速度は部分的に基質保持時間の関数であり、ひいては、所望の滞留時間の達成はバイオリアクターの必要容積を決定するので、加圧されたシステムを使用することでバイオリアクターの必要容量を大幅に減らすことができ、その結果、発酵装置の資本コストを大幅に減らすことができる。米国特許第5,593,886号に与えられる例により、リアクターの容積は、リアクターの運転圧力の増加に比例して低減することができ、すなわち、圧力10気圧で動作させたバイオリアクターは、圧力1気圧で動作させたバイオリアクターの容積のわずか10分の1しか必要としない。   Furthermore, it is often desirable to increase the CO concentration of the substrate stream (or CO partial pressure in the gaseous substrate) to increase the efficiency of the fermentation reaction in which CO is the substrate. Operating at elevated pressures can significantly increase the rate of transfer from the gas phase to the liquid phase of CO that can be taken up by microorganisms as a carbon source for fermentation production. This in turn means that the retention time (defined as the liquid volume in the bioreactor divided by the input gas flow rate) can be reduced if the bioreactor is maintained at a pressure higher than atmospheric pressure. Optimal reaction conditions will depend in part on the particular microorganism of the invention used. In general, however, fermentation is preferably carried out at a pressure higher than ambient pressure. Also, the rate of conversion of a given CO to product is partly a function of substrate retention time, and thus achieving the desired residence time will determine the required volume of the bioreactor, so By using it, the required capacity of the bioreactor can be greatly reduced, and as a result, the capital cost of the fermentation apparatus can be greatly reduced. By way of example given in US Pat. No. 5,593,886, the volume of the reactor can be reduced in proportion to an increase in the operating pressure of the reactor, ie a bioreactor operating at a pressure of 10 atmospheres Only one tenth of the volume of a bioreactor operated at 1 atmosphere is required.

一例として、高圧でガスからエタノールへの発酵を行うことの利点について説明されている。例えば、WO 02/08438は、30psigおよび75psigの圧力下で行われるガスからエタノールへの発酵について説明しており、それぞれのエタノール生産性は、150g/l/日および369g/l/日である。しかし、例えば、大気圧で同様の培地および流入ガス組成を用いて行われる発酵は、1日当たり1リットル当たり10〜20倍少ないエタノールを生成することが判明した。   As an example, the advantages of performing fermentation from gas to ethanol at high pressure are described. For example, WO 02/08438 describes a gas-to-ethanol fermentation carried out under pressures of 30 psig and 75 psig, with ethanol productivity of 150 g / l / day and 369 g / l / day, respectively. However, for example, it has been found that fermentation carried out at atmospheric pressure using a similar medium and influent gas composition produces 10-20 times less ethanol per liter per day.

CO含有ガス状基質の導入速度は、液相中のCOの濃度が律速にならないことを確実にするようなものであることも望ましい。1種類以上の生成物が培養により消費されるのは、COが制限された条件の結果であり得るからである。   It is also desirable that the rate of introduction of the CO-containing gaseous substrate is such that it ensures that the concentration of CO in the liquid phase is not rate limiting. One or more products are consumed by the culture because CO can be the result of limited conditions.

発酵反応に供給するために使用されるガス流の組成は、反応の効率および/またはコストに大きな影響を与え得る。例えば、Oは、嫌気性発酵プロセスの効率を低下させることができる。発酵前後の発酵プロセスの段階での望ましくないまたは不必要な気体の処理は、このようなステージの負荷を増加させ得る(例えば、ガス流がバイオリアクターに入る前に圧縮される場合に、不必要なエネルギーを用いて、発酵に必要ではない気体を圧縮することができる)。したがって、不要な成分を除去し、望ましい成分の濃度を増加させるために、基質流、特に、工業供給源由来の基質流を処理することが望ましい場合がある。 The composition of the gas stream used to feed the fermentation reaction can have a significant impact on the efficiency and / or cost of the reaction. For example, O 2 can reduce the efficiency of the anaerobic fermentation process. Undesirable or unnecessary gas treatment at the stage of the fermentation process before and after fermentation can increase the loading of such stages (e.g. unnecessary if the gas stream is compressed before entering the bioreactor). Can be used to compress gases that are not needed for fermentation). Accordingly, it may be desirable to treat a substrate stream, particularly a substrate stream from an industrial source, to remove unwanted components and increase the concentration of the desired component.

特定の実施形態において、本明細書で定義する微生物の培養は水性培地中で維持される。好ましくは、水性培地は嫌気性微生物増殖用の最少培地である。適切な培地は、当技術分野で公知であり、例えば、米国特許第5,173,429号、同第5,593,886号およびWO 02/08438号に記載されており、下記の実施例の節に記載されているものである。   In certain embodiments, the culture of the microorganism as defined herein is maintained in an aqueous medium. Preferably, the aqueous medium is a minimal medium for anaerobic microbial growth. Suitable media are known in the art and are described, for example, in US Pat. Nos. 5,173,429, 5,593,886 and WO 02/08438, and are described in the Examples below. As described in the section.

特定の実施形態において、この微生物は、Clostridium autoethanogenum、Clostridium ljungdahlii、Clostridium ragsdalei、Clostridium carboxidivorans、Clostridium drakei、Clostridium scatologenes、Clostridium aceticum、Clostridium formicoaceticum、Clostridium magnum、Butyribacterium methylotrophicum、Acetobacterium woodii、Alkalibaculum bacchii、Blautia producta、Eubacterium limosum、Moorella thermoacetica、Moorella thermautotrophica、Sporomusa ovata、Sporomusa silvacetica、Sporomusa sphaeroides、Oxobacter pfennigii、およびThermoanaerobacter kiuviを含むカルボキシド栄養性酢酸生成微生物の群から選択される。   In certain embodiments, the microorganism, Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxidivorans, Clostridium drakei, Clostridium scatologenes, Clostridium aceticum, Clostridium formicoaceticum, Clostridium magnum, Butyribacterium methylotrophicum, Acetobacterium woodii, Alkalibaculum bacchii, Blautia producta, Eubacterium lim sum, Moorella thermoacetica, Moorella thermautotrophica, Sporomusa ovata, Sporomusa silvacetica, Sporomusa sphaeroides, is selected Oxobacter pfennigii, and from the group of Karubokishido nutritional acetogenic microorganisms including Thermoanaerobacter kiuvi.

特定の一実施形態において、親微生物は、C.autoethanogenum、C.ljungdahlii、およびC.ragsdaleiの種ならびに関連分離株を含むエタノール生成酢酸生成クロストリジウムのクラスターから選択される。これらには、C.autoethanogenum JAI−1T(DSM10061)[Abrini J,Naveau H,Nyns E−J:Clostridium autoethanogenum,sp.nov.、一酸化炭素からエタノールを生成する嫌気性細菌(an anaerobic bacterium that produces ethanol from carbon monoxide) Arch Microbiol 1994,4:345−351]、C.autoethanogenum LBS1560(DSM19630)[Simpson SD,Forster RL,Tran PT,Rowe MJ,Warner IL:新規細菌およびその方法(Novel bacteria and methods thereof)、国際特許公開2009、WO/2009/064200]、C.autoethanogenum LBS1561(DSM23693)、C.ljungdahlii PETCT(DSM13528=ATCC55383)[Tanner RS,Miller LM,Yang D:Clostridium ljungdahlii sp.nov.,クロストリジウムrRNAの相同性グループIの中の酢酸生成種(an Acetogenic Species in Clostridial rRNA Homology Group I)、Int J Syst Bacteriol 1993,43:232−236]、C.ljungdahlii ERI−2(ATCC55380)[Gaddy JL:廃棄物ガスから酢酸を生成するクロストリジウム株(Clostridium stain which produces acetic acid from waste gases)、米国特許第5,593,886号、1997]、C.ljungdahlii C−01(ATCC 55988)[Gaddy JL,Clausen EC,Ko C−W:発酵ブロスからの抽出のための酢酸および溶剤の調製のための微生物プロセス(Microbial process for the preparation of acetic acid as well as solvent for its extraction from the fermentation broth)、米国特許第6,368,819号、2002]、C.ljungdahlii O−52(ATCC 55989)[Gaddy JL,Clausen EC,Ko C−W:発酵ブロスからの抽出のための酢酸および溶剤の調製のための微生物プロセス(Microbial process for the preparation of acetic acid as well as solvent for its extraction from The fermentation broth)、米国特許第6,368,819号、2002]、C.ragsdalei P11T(ATCC BAA−622)[Huhnke RL,Lewis RS,Tanner RS:新規クロストリジウム種の単離および特徴(Isolation and Characterization of novel Clostridial Species)、国際特許WO 2008/028055号、2008]、関連分離株、例えば、「C.coskatii」[Zahnら−新規エタノール生成種Clostridium coskatii(米国特許出願第2011/0229947号)]および「Clostridium sp.」(Tyurin et al.,2012,J.Biotech Res.4:1−12)、または変異株、例えば、C.ljungdahlii OTA−1(Tirado−Acevedo O.Clostridium ljungdahliiを用いた合成ガスからのバイオエタノールの生成(Production of Bioethanol from Synthesis Gas Using Clostridium ljungdahlii)、博士論文、ノースカロライナ州立大学、2010)が含まれるが、これらに限定されない。これらの株は、クロストリジウムのrRNAクラスターI内にサブクラスターを形成し、それらの16S rRNA遺伝子は99%以上同一であり、GC含量が約30%で同様に低い。しかし、DNA−DNA再会合およびDNAフィンガープリンティング実験は、これらの株が異なる種に属することを示した[Huhnke RL,Lewis RS,Tanner RS:新規クロストリジウム種の単離および特徴付け(Isolation and Characterization of novel Clostridial Species) 国際特許WO 2008/028055号、2008)。このクラスターの全ての種は、同様の形態およびサイズを有しており(対数増殖細胞は0.5〜0.7×3〜5μmであり)、中温性(30〜37℃の最適増殖温度)で、絶対嫌気性菌である[Tanner RS,Miller LM,Yang D:Clostridium ljungdahlii sp.nov.,クロストリジウムrRNAの相同性グループIの中の酢酸生成種(an Acetogenic Species in Clostridial rRNA Homology Group I)、Int J Syst Bacteriol 1993,43:232−236;Abrini J,Naveau H,Nyns E−J:Clostridium autoethanogenum,sp.nov.,一酸化炭素からエタノールを生成する嫌気性細菌(an anaerobic bacterium that produces ethanol from carbon monoxide) Arch Microbiol 1994,4:345−351;Huhnke RL,Lewis RS,Tanner RS:新規クロストリジウム種の単離および特徴付け(Isolation and Characterization of novel Clostridial Species)]、国際特許WO 2008/028055号、2008]。さらに、それらは全て、同様のpH範囲(pH4〜7.5、最適な初期pH5.5〜6)などの同様の系統発生学的特色、同様の増殖率によるCO含有ガス上での強力な独立栄養成長、ならびに主発酵最終生成物がエタノールおよび酢酸であり、特定の条件下で少量の2,3−ブタンジオールおよび乳酸が形成されるという類似の代謝プロファイルを共有する[Tanner RS,Miller LM,Yang D:Clostridium ljungdahlii sp.nov.,クロストリジウムrRNAの相同性グループIの中の酢酸生成種(an Acetogenic Species in Clostridial rRNA Homology Group I)、Int J Syst Bacteriol 1993,43:232−236;Abrini J,Naveau H,Nyns E−J:Clostridium autoethanogenum,sp.nov.,一酸化炭素からエタノールを生成する嫌気性細菌(an anaerobic bacterium that produces ethanol from carbon monoxide)、Arch Microbiol 1994,4:345−351;Huhnke RL,LewiS RS,Tanner RS:新規クロストリジウム種の単離および特徴付け(Isolation and Characterization of novel Clostridial Species)、国際特許WO 2008/028055号、2008]。インドール生成も全3種で観察された。しかし、これらの種は、様々な糖類(例えば、ラムノース、アラビノース)、酸類(例えば、グルコン酸、クエン酸)、アミノ酸類(例えば、アルギニン、ヒスチジン)、または他の基質類(例えば、ベタイン、ブタノール)の基質利用に区別される。さらに、これらの種のいくつかは、特定のビタミン類(例えば、チアミン、ビオチン)に対して栄養要求体であるが、他の種はそうではないことが判明した。   In one particular embodiment, the parental microorganism is C.I. autoethanogenum, C.I. ljungdahlii, and C.I. It is selected from a cluster of ethanologenic acetic acid-producing clostridial species including ragsdalei species as well as related isolates. These include C.I. autoethanogenum JAI-1T (DSM10061) [Abrini J, Naveau H, Nyns EJ: Clostridium autoethanogenum, sp. nov. , Anaerobic bacteria that produce ethanol monoxide (Arch Microbiol 1994, 4: 345-351), C.I. autoethanogen LBS 1560 (DSM 19630) [Simpson SD, Forster RL, Tran PT, Rowe MJ, Warner IL: Novel bacteria and methods thereof (Novell bacteria and methods theleof), International Patent Publication No. 2009/200, WO / 200, C0. autoethanogenum LBS 1561 (DSM23693), C.I. ljungdahlii PETCT (DSM13528 = ATCC55383) [Tanner RS, Miller LM, Yang D: Clostridium ljungdahlii sp. nov. Acetic acid-producing species in Clostridium rRNA homology group I (An Acetogenic Specialties in Clostri rRNA Homology Group I), Int J Systact Bacteriol 1993, 43: 232-236], C.I. ljungdahlii ERI-2 (ATCC 55380) [Gaddy JL: Clostridium stain what products acetic acid from waste gasses, U.S. Patent No. 5,593,886, U.S. Patent No. 5,593,886]. ljungdahlii C-01 (ATCC 55988) [Gaddy JL, Clausen EC, Ko C-W: Microbial process for the preparation acid acid as a preparation of acetic acid and solvent for extraction from fermentation broth. solvent for it extraction from the formation broth), US Pat. No. 6,368,819, 2002], C.I. ljungdahlii O-52 (ATCC 55989) [Gaddy JL, Clausen EC, Ko C-W: Microbial process for the preparation acid acid as a preparation of acetic acid and solvent for extraction from fermentation broth. solvent for it extraction from The formation broth), US Pat. No. 6,368,819, 2002], C.I. ragsdalei P11T (ATCC BAA-622) [Huhnke RL, Lewis RS, Tanner RS: Isolation and characterization of novel Clostridium species (Isolation and Characteristic of novel Crossspecies) 200 / International Patent No. 80 / WO 55 / WO For example, "C. coskatati" [Zahn et al.-New ethanologenic species Clostridium coskatii (US Patent Application No. 2011/0229947)] and "Clostridium sp." 1-12), or mutant strains such as C.I. ljungdahlii OTA-1 (Tirado-Acevedo O. Clostridium ljungdahlii, bioethanol production from synthesis gas (Production of Bioethanol from Synthesis Gaslih) It is not limited to. These strains form sub-clusters within the clostridial rRNA cluster I, and their 16S rRNA genes are over 99% identical and have a GC content of about 30% as well. However, DNA-DNA reassociation and DNA fingerprinting experiments showed that these strains belonged to different species [Hunnke RL, Lewis RS, Tanner RS: Isolation and Characterization of Novel Clostridial Species (Isolation and Characterization of novel Clostrial Species) International Patent WO 2008/028055, 2008). All species of this cluster have similar morphology and size (logarithmically growing cells are 0.5-0.7 × 3-5 μm) and mesophilic (optimal growth temperature of 30-37 ° C.) [Tanner RS, Miller LM, Yang D: Clostridium ljungdahlii sp. nov. , Acetic acid species in Clostridium rRNA homology group I (An Acetogenic Species in Clos rial Homology Group I), Int J Systact Bacteriol 1993, 43: 232-236; Abrin J, Nave C autoethanogenum, sp. nov. , Anaerobic bacteria that produce ethanol from carbon monoxide (Arch Microbiol 1994, 4: 345-351; Hunnke RL, Lewan tri RS RS) (Isolation and Characteristic of novel Crossspecial Species)], International Patent WO 2008/028055, 2008]. Furthermore, they all have strong phylogenetic features such as a similar pH range (pH 4-7.5, optimal initial pH 5.5-6), strong independence on CO-containing gases with similar growth rates. Vegetative growth and share a similar metabolic profile where the main fermentation end products are ethanol and acetic acid, and small amounts of 2,3-butanediol and lactic acid are formed under certain conditions [Tanner RS, Miller LM, Yang D: Clostridium ljungdahlii sp. nov. , Acetic acid species in Clostridium rRNA homology group I (An Acetogenic Species in Clos rial Homology Group I), Int J Systact Bacteriol 1993, 43: 232-236; Abrin J, Nave C autoethanogenum, sp. nov. , Anaerobic bacteria that produce ethanol from carbon monoxide, Arch microbiol 1994, 4: 345-351; Hunnke RL, Lewis Tris RS new species RS Characterization (Isolation and Characterization of novel Crossspecial Species), International Patent WO 2008/028055, 2008]. Indole formation was also observed in all three species. However, these species may contain various sugars (eg, rhamnose, arabinose), acids (eg, gluconic acid, citric acid), amino acids (eg, arginine, histidine), or other substrates (eg, betaine, butanol). ) Substrate use. Furthermore, some of these species have been found to be auxotrophic for certain vitamins (eg thiamine, biotin), while other species have not.

一実施形態において、この親微生物は、Clostridium autoethanogenumまたはClostridium ljungdahliiである。特定の一実施形態において、この微生物は、Clostridium autoethanogenum DSM23693である。別の特定の実施形態において、この微生物は、Clostridium ljungdahlii DSM13528(またはATCC55383)である。   In one embodiment, the parental microorganism is Clostridium autoethanogenum or Clostridium ljungdahlii. In one particular embodiment, the microorganism is Clostridium autoethanogenum DSM23693. In another specific embodiment, the microorganism is Clostridium ljungdahlii DSM13528 (or ATCC 55383).

発酵は、基質を1種以上の微生物と接触させることができる、気体/液体接触用に構成された任意の適切なバイオリアクター、例えば、連続撹拌槽型反応器(CSTR)、固定化細胞反応器、ガスリフト反応器、気泡塔反応器(BCR)、膜反応器、例えば、中空繊維膜バイオリアクター(HFMBR)、もしくはトリクルベッド反応器(TBR)、モノリスバイオリアクターまたはループ反応器の中で行われてもよい。また、本発明のいくつかの実施形態において、バイオリアクターは、微生物が培養される第一の増殖反応器、ならびに増殖反応器からの発酵ブロスが供給され、発酵生成物(例えば、エタノールおよびアセテート)のほとんどが生成される第2の発酵リアクターを含んでもよい。   Fermentation can be any suitable bioreactor configured for gas / liquid contact, such as a continuous stirred tank reactor (CSTR), an immobilized cell reactor, capable of contacting a substrate with one or more microorganisms. Performed in a gas lift reactor, bubble column reactor (BCR), membrane reactor, eg, hollow fiber membrane bioreactor (HFMBR), or trickle bed reactor (TBR), monolith bioreactor or loop reactor Also good. Also, in some embodiments of the invention, the bioreactor is fed with a first growth reactor in which microorganisms are cultured, and a fermentation broth from the growth reactor, and fermentation products (eg, ethanol and acetate). May include a second fermentation reactor in which most of the is produced.

本発明の様々な実施形態によれば、発酵反応のための炭素源は、気化から生じた合成ガスである。合成ガス基質は、典型的には、少なくとも約15体積%〜約75体積%のCO、20体積%〜70体積%のCO、20体積%〜65体積%のCO、20体積%〜60体積%のCO、および20体積%〜55体積%のCOなどの主要な割合のCOを含む。特定の実施形態において、基質は、約25体積%、約30体積%、約35体積%、約40体積%、約45体積%、または約50体積%、約55体積%、または約60体積%のCOを含む。特に、HおよびCOも存在する場合には、6%などのより低い濃度のCOを有する基質も適切であり得る。特定の実施形態において、水素が存在すると、アルコール生成の全体的な効率が改善する。ガス状基質は、ある程度のCO、例えば、約1体積%〜約80体積%のCO、または1体積%〜約30体積%のCOも含んでよい。 According to various embodiments of the present invention, the carbon source for the fermentation reaction is synthesis gas resulting from vaporization. The syngas substrate is typically at least about 15 volume% to about 75 volume% CO, 20 volume% to 70 volume% CO, 20 volume% to 65 volume% CO, 20 volume% to 60 volume%. And a major proportion of CO, such as 20 volume% to 55 volume% CO. In certain embodiments, the substrate is about 25%, about 30%, about 35%, about 40%, about 45%, or about 50%, about 55%, or about 60% by volume. Of CO. Substrates with lower concentrations of CO, such as 6%, may also be appropriate, especially when H 2 and CO 2 are also present. In certain embodiments, the presence of hydrogen improves the overall efficiency of alcohol production. Gaseous substrate, some CO 2, for example, may comprise from about 1% to about 80% by volume of CO 2 or 1 percent by volume to about 30% by volume of CO 2, also.

本発明の特定の実施形態によれば、改善された基質流のCO含有量および/またはH含有量は、流れをバイオリアクターに送る前に濃縮することができる。例えば、水素は、圧力スイング吸着、深冷分離および膜分離などの当技術分野で公知の技術を使用して濃縮することができる。同様に、COは、銅アンモニウムスクラビング、深冷分離、COSORB(商標)テクノロジー(トルエン中の塩化銅アルミニウム(cuprous aluminium dichloride)への吸収)、真空スイング吸着および膜分離などの当技術分野で公知の技術を使用して濃縮することができる。ガス分離および濃縮に使用される他の方法は、PCT/NZ2008/000275に詳述されており、これは参照により完全に本明細書に組み込まれる。 According to certain embodiments of the invention, the improved substrate stream CO content and / or H 2 content can be concentrated prior to sending the stream to the bioreactor. For example, hydrogen can be concentrated using techniques known in the art such as pressure swing adsorption, cryogenic separation, and membrane separation. Similarly, CO is known in the art such as copper ammonium scrubbing, cryogenic separation, COSORB ™ technology (absorption on cuprous aluminum chloride in toluene), vacuum swing adsorption and membrane separation. It can be concentrated using techniques. Other methods used for gas separation and concentration are detailed in PCT / NZ2008 / 000275, which is fully incorporated herein by reference.

典型的には、一酸化炭素が気体状態で発酵反応に添加される。しかし、本発明の方法は、この状態での基質の添加に限定されるものではない。例えば、一酸化炭素は液体で提供することができる。例えば、液体は、一酸化炭素含有ガスで飽和され、その液体がバイオリアクターに添加されてもよい。これは、標準的な方法論を用いて達成されてもよい。一例として、マイクロバブル分散物発生装置(Hensirisak et.al. Scale−up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation;Applied Biochemistry and Biotechnology101巻,NO.3/2002年10月)は、この目的のために使用することができる。 Typically, carbon monoxide is added to the fermentation reaction in the gaseous state. However, the method of the present invention is not limited to the addition of the substrate in this state. For example, carbon monoxide can be provided in a liquid. For example, the liquid may be saturated with a carbon monoxide containing gas and the liquid added to the bioreactor. This may be achieved using standard methodologies. As an example, microbubble dispersion generator (Hensirisak et.al. Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation; for this purpose , Applied Biochemistry and Biotechnol. be able to.

CO含有基質ガスに加えて、細菌の増殖およびCOからアルコールへの発酵が生じるために、適切な液体栄養培地をバイオリアクターに供給する必要があることを理解されたい。栄養培地は、使用される微生物の成長を可能にするのに十分なビタミンおよびミネラルを含有する。唯一の炭素源としてCOを使用するエタノール発酵に適する嫌気性培地は当技術分野で公知である。例えば、適切な培地は、上記の米国特許第5,173,429号、同第5,593,886号ならびにWO 02/08438号、WO 2007/117157号、WO 2008/115080号、WO 2009/022925号、WO 2009/058028号、WO 2009/064200号、WO 2009/064201号、WO 2009/113878号およびWO 2009/151342号に記載されている。本発明は、発酵プロセスにおいて微生物の増殖および/またはアルコール生成を支持することにおいて有効性が増加した新規培地を提供する。この培地は、以下でより詳細に説明する。   It should be understood that in addition to the CO-containing substrate gas, an appropriate liquid nutrient medium must be supplied to the bioreactor in order for bacterial growth and CO to alcohol fermentation to occur. The nutrient medium contains enough vitamins and minerals to allow growth of the microorganisms used. Anaerobic media suitable for ethanol fermentation using CO as the sole carbon source are known in the art. For example, suitable media are the above-mentioned US Pat. Nos. 5,173,429, 5,593,886 and WO 02/08438, WO 2007/117157, WO 2008/115080, WO 2009/022925. No., WO 2009/058028, WO 2009/064200, WO 2009/064201, WO 2009/113878 and WO 2009/151342. The present invention provides novel media with increased effectiveness in supporting microbial growth and / or alcohol production in the fermentation process. This medium is described in more detail below.

発酵は、望ましくは、所望の発酵(例えば、COからエタノール)が生じるのに適する条件下で行われるべきである。考慮されるべき反応条件には、圧力、温度、ガス流速、液体流速、培地のpH、培地の酸化還元電位、撹拌速度(連続撹拌槽型反応器を使用する場合)、接種レベル、液相中のCOが律速にならないことを確実にするための最大ガス基質濃度、および生成物阻害を回避するための最大生成物濃度が含まれる。適切な条件は、WO 02/08438号、WO 2007/117157号、WO 2008/115080号、WO 2009/022925号、WO 2009/058028号、WO 2009/064200号、WO 2009/064201号、WO 2009/113878号およびWO 2009/151342号に記載されており、これらの全ては、参照により本明細書に組み込まれる。   The fermentation should desirably be performed under conditions suitable for the desired fermentation (eg, CO to ethanol) to occur. Reaction conditions to be considered include pressure, temperature, gas flow rate, liquid flow rate, medium pH, medium redox potential, stirring rate (when using a continuous stirred tank reactor), inoculation level, in liquid phase A maximum gas substrate concentration to ensure that the CO is not rate limiting and a maximum product concentration to avoid product inhibition are included. Suitable conditions are WO 02/08438, WO 2007/117157, WO 2008/115080, WO 2009/022925, WO 2009/058028, WO 2009/064200, WO 2009/06201, WO 2009 / No. 113878 and WO 2009/151342, all of which are incorporated herein by reference.

最適な反応条件は、使用される特定の微生物に部分的に依存する。しかし、一般的には、発酵は周囲圧力より高い圧力で行うことが好ましい。圧力を高めて動作させると、エタノール生成のための炭素源として微生物が取り込むことができるCOの気相から液相への移動速度を著しく増加させることができる。これは、ひいては、バイオリアクターが大気圧よりも高圧で維持される場合に、(入力ガス流量で割ったバイオリアクター中の液体体積として定義される)保持時間を低減することができることを意味する。   Optimal reaction conditions will depend in part on the particular microorganism used. In general, however, fermentation is preferably carried out at a pressure higher than ambient pressure. When operated at an elevated pressure, the transfer rate of CO, which can be taken up by microorganisms as a carbon source for ethanol production, from the gas phase to the liquid phase can be significantly increased. This in turn means that the retention time (defined as the liquid volume in the bioreactor divided by the input gas flow rate) can be reduced if the bioreactor is maintained at a pressure higher than atmospheric pressure.

高圧でガスからエタノールへの発酵を行うことの利点についても、本明細書のどこかで説明している。例えば、WO 02/08438は、30psigおよび75psigの圧力下で行われるガスからエタノールへの発酵について説明しており、それぞれのエタノール生産性は、150g/l/日および369g/l/日である。しかし、例えば、大気圧で同様の培地および流入ガス組成を用いて行われる発酵は、1日当たり1リットル当たり10〜20倍未満のエタノールを生成することが判明した。   The advantages of performing gas to ethanol fermentation at high pressure are also described elsewhere in this specification. For example, WO 02/08438 describes a gas-to-ethanol fermentation carried out under pressures of 30 psig and 75 psig, with ethanol productivity of 150 g / l / day and 369 g / l / day, respectively. However, it has been found, for example, that fermentations carried out using similar media and influent gas composition at atmospheric pressure produce less than 10 to 20 times more ethanol per liter per day.

COおよびH含有ガス状基質の導入率は、液相中のCO濃度が律速になっていないことを確実にするためであることも望ましい。エタノール生成物が培養物によって消費されることは、COが制限された条件の結果であり得るためである。 It is also desirable that the rate of introduction of the CO and H 2 containing gaseous substrate is to ensure that the CO concentration in the liquid phase is not rate limiting. The ethanol product is consumed by the culture because CO can be the result of limited conditions.

エタノールなどの発酵生成物、または2種類以上の発酵生成物を含む混合流は、分留または蒸発、パーベーパレーション、ガスストリッピングおよび例えば、液液抽出を含む抽出発酵などの当技術分野で公知の方法によって発酵ブロスから回収してもよい。生成物を、相分離によって抽出することができる培地に拡散または分泌させてもよい。   Fermentation products such as ethanol, or mixed streams containing two or more fermentation products are known in the art such as fractional distillation or evaporation, pervaporation, gas stripping and extractive fermentation including, for example, liquid-liquid extraction. You may collect | recover from fermentation broth by the method of this. The product may be diffused or secreted into a medium that can be extracted by phase separation.

本発明の特定の好ましい実施形態において、1種類以上の生成物は、ブロスの一部をバイオリアクターから連続除去し、ブロスから微生物細胞を分離し(濾過が都合がよい)、ブロスから1種類以上の生成物を回収することによって発酵ブロスから回収される。アルコールは、例えば、蒸留によって都合よく回収することができる。アセトンは、例えば、蒸留によって回収することができる。生成される全ての酸は、例えば、活性炭への吸着によって回収されてもよい。分離された微生物細胞は、好ましくは、発酵バイオリアクターに戻される。全てのアルコール(複数可)および酸(複数可)を除去した後に残っている無細胞透過物も、好ましくは発酵バイオリアクターに戻される。(ビタミンB類などの)追加の栄養素を無細胞透過物に加えて、バイオリアクターに戻される前に栄養培地を補充してもよい。   In certain preferred embodiments of the present invention, the one or more products are used to continuously remove a portion of the broth from the bioreactor, separate microbial cells from the broth (convenient filtration), and one or more from the broth. Is recovered from the fermentation broth by recovering the product. The alcohol can be conveniently recovered, for example, by distillation. Acetone can be recovered, for example, by distillation. All the acid produced may be recovered, for example, by adsorption on activated carbon. The separated microbial cells are preferably returned to the fermentation bioreactor. The cell free permeate remaining after removal of all alcohol (s) and acid (s) is also preferably returned to the fermentation bioreactor. Additional nutrients (such as vitamin B) may be added to the cell-free permeate to replenish the nutrient medium before returning to the bioreactor.

活性炭への酢酸の吸着を高めるために、ブロスのpHを上記のように調整する場合にも、バイオリアクターに戻す前に、pHを発酵バイオリアクターのブロスと同様のpHまで再調整すべきである。   In order to increase the adsorption of acetic acid on activated carbon, the pH of the broth should be readjusted to the same pH as the fermentation bioreactor broth before returning to the bioreactor, even if the pH of the broth is adjusted as described above. .

生成物の回収
次いで、発酵反応の生成物は、公知の方法を用いて回収することができる。代表的な方法には、WO 2007/117157号、WO 2008/115080号、WO 2009/022925号、米国特許第6,340,581号、同第6,136,577号、同第5,593,886号、同第5,807,722号、同第5,821,111号に記載のものが含まれる。しかし、簡潔に説明すると、ほんの一例として、エタノールは、分留または蒸発、および抽出発酵などの方法により発酵ブロスから回収されてもよい。
Product Recovery The fermentation reaction product can then be recovered using known methods. Representative methods include WO 2007/117157, WO 2008/115080, WO 2009/022925, US Pat. Nos. 6,340,581, 6,136,577, 5,593, No. 886, No. 5,807,722, No. 5,821,111. However, in brief, by way of example only, ethanol may be recovered from the fermentation broth by methods such as fractional distillation or evaporation, and extractive fermentation.

発酵ブロスからのエタノールの蒸留により、エタノールと水の共沸混合物(すなわち、95%エタノールおよび水5%)が得られる。無水エタノールは、その後、当技術分野で公知の分子ふるいエタノール脱水技術を使用することによって得ることができる。   Distillation of ethanol from the fermentation broth yields an azeotrope of ethanol and water (ie, 95% ethanol and 5% water). Absolute ethanol can then be obtained by using molecular sieving ethanol dehydration techniques known in the art.

抽出発酵手順は、希薄発酵ブロスからエタノールを回収するために、発酵生物に対して低毒性のリスクを示す水混和性溶媒の使用を含む。例えば、オレイルアルコールは、この種の抽出プロセスで使用することができる溶媒である。オレイルアルコールを連続的に発酵槽に導入すると、この溶媒は盛り上がり、連続的に抽出および遠心分離により供給される層を発酵槽の上部に形成する。次いで、水および細胞は、容易にオレイルアルコールから分離され、発酵槽に戻されるが、エタノールを含んだ溶媒はフラッシュ蒸発装置に供給される。エタノールのほとんどは気化および凝縮されるが、オレイルアルコールは、非揮発性であり、発酵における再利用のために回収される。   The extractive fermentation procedure involves the use of a water miscible solvent that presents a low risk of toxicity to the fermenting organism to recover ethanol from the dilute fermentation broth. For example, oleyl alcohol is a solvent that can be used in this type of extraction process. As oleyl alcohol is continuously introduced into the fermentor, the solvent rises and forms a continuous layer fed by extraction and centrifugation at the top of the fermentor. The water and cells are then easily separated from the oleyl alcohol and returned to the fermentor while the ethanol containing solvent is fed to the flash evaporator. Most of the ethanol is vaporized and condensed, while oleyl alcohol is non-volatile and is recovered for reuse in fermentation.

発酵反応において副産物として生成されるアセテートは、当技術分野で公知の方法を用いて発酵ブロスから回収することもできる。例えば、活性炭フィルタを含む吸着システムが使用されてもよい。この場合には、微生物細胞が最初に適切な分離手段を用いて発酵ブロスから除去することが好ましい。生成物回収のための無細胞発酵ブロスを作製する多数の濾過ベースの方法は、当技術分野で公知である。次いで、無細胞エタノール含有透過物およびアセテート含有透過物を、アセテートを吸着する活性炭を含むカラムに通す。塩(アセテート)形態よりも酸形態(酢酸)のアセテートは、容易に活性炭に吸着される。したがって、発酵ブロスのpHは、アセテートの大部分を酢酸形に変換するために、活性炭カラムに通す前に約3倍未満に低減されることが好ましい。   Acetate produced as a by-product in the fermentation reaction can also be recovered from the fermentation broth using methods known in the art. For example, an adsorption system including an activated carbon filter may be used. In this case, it is preferred that the microbial cells are first removed from the fermentation broth using a suitable separation means. Numerous filtration-based methods for making cell-free fermentation broth for product recovery are known in the art. The cell-free ethanol-containing permeate and the acetate-containing permeate are then passed through a column containing activated carbon that adsorbs the acetate. Acetate in acid form (acetic acid) rather than salt (acetate) form is more easily adsorbed on activated carbon. Therefore, the pH of the fermentation broth is preferably reduced to less than about 3 times before passing through an activated carbon column to convert most of the acetate to the acetic acid form.

活性炭に吸着した酢酸は、当技術分野で公知の方法を用いて溶出することにより回収することができる。例えば、エタノールを用いて、結合したアセテートを溶出することができる。特定の実施形態において、発酵プロセス自体によって生成されるエタノールを用いて、アセテートを溶出することができる。エタノールの沸点は78.8℃であり、酢酸の沸点は107℃であるため、エタノールおよびアセテートは、蒸留などの揮発性ベースの方法を用いて容易に互いに分離することができる。   Acetic acid adsorbed on the activated carbon can be recovered by elution using methods known in the art. For example, ethanol can be used to elute bound acetate. In certain embodiments, the acetate can be eluted using ethanol produced by the fermentation process itself. Since ethanol has a boiling point of 78.8 ° C. and acetic acid has a boiling point of 107 ° C., ethanol and acetate can be easily separated from each other using volatile based methods such as distillation.

発酵ブロスからアセテートを回収するための他の方法も、当技術分野で公知であり、本発明のプロセスで使用することができる。例えば、米国特許第6,368,819号および同第6,753,170号は、発酵ブロスからの酢酸抽出に使用できる溶媒および共溶媒系について記載している。エタノールの抽出発酵について記載されるオレイルアルコールベースのシステムの例と同様に、米国特許第6,368,819号および同第6,753,170号に記載のシステムは、酢酸生成物を抽出するために発酵微生物の存在下または非存在下のいずれかで、発酵ブロスと混合できる水非混和性溶媒/共溶媒を説明する。その後、酢酸生成物を含む溶媒/共溶媒は蒸留によってブロスから分離される。その後、第2の蒸留工程を用いて、溶媒/共溶媒系から酢酸を精製してもよい。   Other methods for recovering acetate from the fermentation broth are also known in the art and can be used in the process of the present invention. For example, US Pat. Nos. 6,368,819 and 6,753,170 describe solvents and cosolvent systems that can be used for acetic acid extraction from fermentation broth. Similar to the example of oleyl alcohol-based systems described for ethanol extractive fermentation, the systems described in US Pat. Nos. 6,368,819 and 6,753,170 are for extracting acetic acid products. Describes water-immiscible solvents / cosolvents that can be mixed with the fermentation broth, either in the presence or absence of fermentation microorganisms. The solvent / cosolvent containing the acetic acid product is then separated from the broth by distillation. Thereafter, acetic acid may be purified from the solvent / co-solvent system using a second distillation step.

発酵反応の生成物(例えば、エタノールおよびアセテート)は、発酵バイオリアクターからブロスの一部を連続除去し、ブロスから微生物細胞を分離し(濾過が都合がよい)、同時にまたは連続的にブロスから1種類以上の生成物を回収することによって、発酵ブロスから回収されてもよい。エタノールの場合には、蒸留によって都合よく回収されてもよく、アセテートは、上記の方法を用いて、活性炭への吸着によって回収されてもよい。分離微生物細胞は、好ましくは、発酵バイオリアクターに戻される。エタノールおよびアセテートを除去した後に残っている無細胞透過物も、好ましくは発酵バイオリアクターに戻される。(ビタミンB類などの)追加の栄養素を無細胞透過物に加えて、バイオリアクターに戻される前に栄養培地を補充してもよい。ブロスのpHが、活性炭への酢酸の吸着を高めるために上記のように調整される場合にも、pHは、バイオリアクターに戻される前に、発酵バイオリアクター中のブロスのpHと類似のpHに再調整されるべきである。   The product of the fermentation reaction (eg, ethanol and acetate) continuously removes a portion of the broth from the fermentation bioreactor and separates the microbial cells from the broth (convenient for filtration), either simultaneously or sequentially from the broth. It may be recovered from the fermentation broth by recovering more than one type of product. In the case of ethanol, it may be conveniently recovered by distillation, and acetate may be recovered by adsorption on activated carbon using the method described above. The isolated microbial cells are preferably returned to the fermentation bioreactor. Cell-free permeate remaining after removal of ethanol and acetate is also preferably returned to the fermentation bioreactor. Additional nutrients (such as vitamin B) may be added to the cell-free permeate to replenish the nutrient medium before returning to the bioreactor. Even if the pH of the broth is adjusted as described above to enhance the adsorption of acetic acid on the activated carbon, the pH will be similar to that of the broth in the fermentation bioreactor before being returned to the bioreactor. Should be readjusted.

全般
本発明の実施形態は例として説明されている。しかし、一実施形態において必要な特定のステップまたは段階は別の実施形態で必要でなくてもよいことが理解されるべきである。逆に、特定の実施形態の説明に含まれるステップまたは段階は、必要に応じて、それらが明確に言及されていない実施形態において有利に利用することができる。
General Embodiments of the invention have been described by way of example. However, it is to be understood that certain steps or steps required in one embodiment may not be required in another embodiment. On the contrary, the steps or steps included in the description of a particular embodiment can be advantageously used as appropriate in embodiments where they are not explicitly mentioned.

本発明は、任意の公知の輸送手段によってシステム(複数可)を通るかまたはそのシステム中を動くことができる任意の種類の流れを参照して広く説明されているが、特定の実施形態において、バイオガスならびに改良および/または混合された基質流はガス状である。当業者であれば、特定の段階が、システム全体の流れを受け取ったり、送ったりすることができる適切な導管手段または同種のものにより連結されてもよいことを理解するであろう。ポンプまたは圧縮機は、特定の段階への流れの送達を容易にするために提供されてもよい。さらに、圧縮機を用いて、1以上の段階、例えば、バイオリアクターに提供されるガスの圧力を増加させることができる。上記で論じたように、バイオリアクター内のガスの圧力は、その中で行われる発酵反応の効率に影響を与え得る。したがって、圧力は、発酵の効率を改善するように調整することができる。一般的な反応に適する圧力は、当技術分野で公知である。   Although the present invention has been broadly described with reference to any type of flow that can travel through or through the system (s) by any known means of transport, in certain embodiments, The biogas and the modified and / or mixed substrate stream are gaseous. One skilled in the art will appreciate that certain steps may be linked by suitable conduit means or the like that can receive and route the entire system flow. A pump or compressor may be provided to facilitate delivery of the flow to a particular stage. In addition, the compressor can be used to increase the pressure of the gas provided to one or more stages, eg, the bioreactor. As discussed above, the pressure of the gas within the bioreactor can affect the efficiency of the fermentation reaction that takes place therein. Thus, the pressure can be adjusted to improve the efficiency of the fermentation. Suitable pressures for general reactions are known in the art.

さらに、本発明のシステムまたはプロセスは、必要に応じて、プロセス全体の効率を改善するために他のパラメータを調節および/または制御するための手段を含んでもよい。例えば、特定の実施形態は、基質流および/または排気流(複数可)の組成を監視するための決定手段を含んでもよい。さらに、決定手段が、流れは特定の段階に適する組成を有すると判断した場合に、特定の実施形態は、特定のシステム内の特定の段階または要素への基質流(複数可)の送達を制御するための手段を含んでもよい。例えば、ガス状基質流が、発酵反応に有害であり得る低レベルのCOまたは高レベルのOを含む場合に、基質流をバイオリアクターから離して分流してもよい。本発明の特定の実施形態において、システムは、所望のまたは適切な組成を有する流れが特定の段階に送達することができるように、基質流の目的地および/または流速を監視ならびに制御するための手段を含む。 In addition, the system or process of the present invention may include means for adjusting and / or controlling other parameters as needed to improve overall process efficiency. For example, certain embodiments may include a determining means for monitoring the composition of the substrate stream and / or the exhaust stream (s). Further, certain embodiments control the delivery of substrate stream (s) to a particular stage or element within a particular system when the determining means determines that the flow has a composition suitable for the particular stage. Means for doing so may be included. For example, if the gaseous substrate stream contains low levels of CO or high levels of O 2 that can be detrimental to the fermentation reaction, the substrate stream may be diverted away from the bioreactor. In certain embodiments of the invention, the system is for monitoring and controlling the destination and / or flow rate of the substrate stream so that a stream having the desired or appropriate composition can be delivered to a particular stage. Including means.

さらに、プロセス中の1以上の段階の前、またはその間に、特定のシステム構成要素もしくは基質流(複数可)を加熱または冷却する必要がある場合もある。このような場合では、公知の加熱または冷却手段を用いてもよい。   Furthermore, it may be necessary to heat or cool a particular system component or substrate stream (s) before or during one or more stages in the process. In such a case, a known heating or cooling means may be used.

本発明のシステムの様々な実施形態を添付図に記載する。   Various embodiments of the system of the present invention are described in the accompanying drawings.

本発明の代替的な実施形態を図1および2に記載する。図1に示すように、本発明の一実施形態は、1種類以上の生成物を生成するためのシステムおよび方法であって、以下のものを含むシステムを提供する:
a.バイオマス原料が、ガス状基質ならびに熱分解および炭からなる群から選択される少なくとも1種類の熱分解生成物を生成するための熱分解条件下で反応する熱分解ゾーン100。
b.導管102を介して熱分解ゾーンからガス状基質を受け取るように適合されたバイオリアクター106。バイオリアクター106は、液体栄養培地ブロス中に少なくとも1種類のカルボキシド栄養性酢酸生成微生物の培養物を含む。バイオリアクターは、少なくとも1種類の発酵生成物およびHを含む流出ガス流を生成するための発酵条件下で動作する。少なくとも1種類の発酵生成物は、生成物用の導管108を介してリアクターから除去される。
c.流出流は、バイオリアクターからガス導管を介してガス分離ゾーン112に送られ、そこで、流出ガス流の水素部分が分離され、導管114を介して水素化ゾーン116に送られる。
d.水素化ゾーン116は、ガス分離ゾーンから水素流を受け取り、熱分解ゾーンから導管104を介して熱分解油を受け取るように適合されている。熱分解油および水素は、水素化条件下で反応して、6〜20個の炭素を有する炭化水素生成物を生成する。
An alternative embodiment of the present invention is described in FIGS. As shown in FIG. 1, one embodiment of the present invention provides a system and method for producing one or more products comprising the following:
a. A pyrolysis zone 100 in which the biomass feedstock reacts under pyrolysis conditions to produce a gaseous substrate and at least one pyrolysis product selected from the group consisting of pyrolysis and charcoal.
b. A bioreactor 106 adapted to receive a gaseous substrate from the pyrolysis zone via conduit 102. Bioreactor 106 includes a culture of at least one carboxydotrophic acetic acid producing microorganism in a liquid nutrient broth. Bioreactor is operated under fermentation conditions to produce at least one fermentation product and effluent gas stream comprising H 2. At least one fermentation product is removed from the reactor via product conduit 108.
c. The effluent stream is sent from the bioreactor via a gas conduit to gas separation zone 112 where the hydrogen portion of the effluent gas stream is separated and sent via conduit 114 to hydrogenation zone 116.
d. The hydrogenation zone 116 is adapted to receive a hydrogen stream from the gas separation zone and to receive pyrolysis oil from the pyrolysis zone via conduit 104. The pyrolysis oil and hydrogen react under hydrogenation conditions to produce a hydrocarbon product having 6-20 carbons.

図2は、バイオマスの液化によって生成されるガス状基質の発酵によって1種類以上の生成物を生成するための別の実施形態を示す。本発明の一実施形態によれば、バイオマス原料は焙焼ゾーン200に送られ、焙焼ゾーンは焙焼バイオマスおよび焙焼ガス流204を生成するための条件下で動作する。焙焼バイオマスは熱分解ゾーン202に送られる。焙焼バイオマスは熱分解条件下で反応して、熱分解ガス流206、熱分解油および炭を生成する。焙焼ガス流204および熱分解ガス流206の少なくとも一部は、バイオリアクター210に送られる。   FIG. 2 shows another embodiment for producing one or more products by fermentation of a gaseous substrate produced by liquefaction of biomass. According to one embodiment of the present invention, the biomass feedstock is sent to the roasting zone 200, which operates under conditions to produce the roasted biomass and the roasted gas stream 204. The roasted biomass is sent to the pyrolysis zone 202. The roasted biomass reacts under pyrolysis conditions to produce pyrolysis gas stream 206, pyrolysis oil and charcoal. At least a portion of the roasting gas stream 204 and pyrolysis gas stream 206 is sent to the bioreactor 210.

熱分解油および/または炭の少なくとも一部は、必要に応じて、気化ゾーン208に送ることができ、そこで気化されて、COを含む気化基質を生成する。気化基質は、バイオリアクター210に送られ得る。バイオリアクター210は、液体栄養培地ブロス中に少なくとも1種類のカルボキシド栄養性酢酸生成微生物の培養物を含む。バイオリアクターは、少なくとも1種類の発酵生成物およびHを含む流出ガス流を生成するための発酵条件下で動作する。流出流はガス分離ゾーン212に送られ、水素はガス流から分離され、濃縮された水素流を生成する。濃縮された水素流は、水素化ゾーン214に送られる。水素化ゾーン214は、熱分解ゾーン206からの熱分解油および濃縮された水素流を受け取るように適合されている。熱分解油および水素流は、水素化条件下で反応して、6〜20個の炭素原子を有する炭化水素を生成する。 At least a portion of the pyrolysis oil and / or charcoal can be sent to the vaporization zone 208 as needed, where it is vaporized to produce a vaporized substrate comprising CO. The vaporized substrate can be sent to the bioreactor 210. Bioreactor 210 includes a culture of at least one carboxydotrophic acetic acid producing microorganism in a liquid nutrient broth. Bioreactor is operated under fermentation conditions to produce at least one fermentation product and effluent gas stream comprising H 2. The effluent stream is sent to the gas separation zone 212 where hydrogen is separated from the gas stream to produce a concentrated hydrogen stream. The concentrated hydrogen stream is sent to the hydrogenation zone 214. Hydrogenation zone 214 is adapted to receive pyrolysis oil and concentrated hydrogen stream from pyrolysis zone 206. The pyrolysis oil and hydrogen stream react under hydrogenation conditions to produce a hydrocarbon having 6-20 carbon atoms.

本発明は、過度の実験を行うことなく読者が本発明を実施することができるようにするために、特定の好ましい実施形態を参照して本明細書で説明してきた。しかし、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、構成要素およびパラメータの多くをある程度変更もしくは修正するか、または公知の同等物に置換してもよいことを容易に認識するであろう。そのような変更および等価物は、個別に記載されたものとして本明細書に組み込まれることを理解されたい。タイトル、または見出しなどは、この文書の読者の理解を高めるために提供され、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。   The present invention has been described herein with reference to certain preferred embodiments to enable the reader to practice the invention without undue experimentation. However, one of ordinary skill in the art will readily recognize that many of the components and parameters may be altered or modified to some extent or replaced with known equivalents without departing from the scope of the invention. I will. It should be understood that such modifications and equivalents are incorporated herein as individually described. Titles, headings or the like are provided to enhance the understanding of the reader of this document and should not be construed as limiting the scope of the invention.

もしあれば、上記および下記に引用された全ての出願、特許および刊行物の全開示は、参照により本明細書に組み込まれる。しかし、本明細書における全ての出願、特許および刊行物への言及は、それらが有効な先行技術を構成するか、もしくは世界中の全ての国における共通の一般知識の一部を形成するという承認または任意の形式の提案でもなく、かつそのように解釈されるべきではない。   The entire disclosure of all applications, patents and publications cited above and below, if any, are hereby incorporated by reference. However, references to all applications, patents and publications in this specification are recognized as constituting valid prior art or forming part of common general knowledge in all countries around the world. Or any form of suggestion and should not be construed as such.

本明細書および以下の全ての特許請求の範囲を通して、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、「含む(comprise)」、および「含む(comprising)」などの単語は、排他的な意味ではなく、包括的な意味、すなわち、「含むが、これらに限定されない」という意味で解釈されるべきである。
なお、本発明には、以下の実施形態が包含される。
[1]ガス状基質から少なくとも1種類の生成物を生成するための方法であって、
a.液化ゾーン中で行われるプロセスである熱分解または焙焼から選択されるバイオマス液化プロセスによって、COを含むガス状基質にバイオマス原料の少なくとも一部を変換することと、
b.少なくとも1種類のカルボキシド栄養性酢酸生成微生物の培養物を含むバイオリアクターにガス状基質の少なくとも一部を送り、ガス状基質の少なくとも一部を嫌気性発酵させ、少なくとも1種類の発酵生成物および第2のバイオマスを含む廃棄物流を生成することと、
c.第2のバイオマスの少なくとも一部を廃棄物流から分離することと、
d.液化ゾーンに第2のバイオマスの一部を送ることと、
を含む方法。
[2]前記ガス状基質がさらにCO およびH を含む、[1]に記載の方法。
[3]前記バイオマス液化プロセスが、少なくとも1種類の非ガス状生成物を生成し、前記非ガス状生成物が気化されて、COを含む合成ガス流を生成する、[2]に記載の方法。
[4]前記合成ガス流の少なくとも一部が前記バイオリアクターに送られる、[3]に記載の方法。
[5]前記少なくとも1種類の発酵生成物が、エタノール、酢酸および2,3−ブタンジオールからなる群から選択される、[1]に記載の方法。
[6]ガス状基質から少なくとも1種類の生成物を生成するための方法であって、
a.CO、CO およびH を含むガス状基質、ならびに熱分解油および炭からなる群から選択される少なくとも1種類の熱分解生成物を生成するための条件下で動作する熱分解ゾーンにバイオマス原料を送ることと、
b.少なくとも1種類のカルボキシド栄養性酢酸生成微生物の培養物を含むバイオリアクターに前記ガス状基質の少なくとも一部を送り、前記ガス状基質の少なくとも一部を嫌気性発酵させて、少なくとも1種類の発酵生成物、第2のバイオマスを含む廃棄物流および水素を含む流出ガス流を生成することと、
c.第2のバイオマスの少なくとも一部を前記廃棄物流から分離することと、
d.前記熱分解ゾーンに前記第2のバイオマスの一部を送ることと、
を含む方法。
[7]前記流出ガス流が、水素に富む流れを提供するための条件下で動作する分離ゾーンに送られる、[6]に記載の方法。
[8]前記熱分解生成物が熱分解油および前記水素に富む流れであり、前記熱分解油が、水素化生成物を生成するための条件下で動作する水素化ゾーンに送られる、[7]に記載の方法。
[9]前記水素化生成物が、6〜20個の炭素を有する炭化水素である、[8]に記載の方法。
[10]さらに、CO に豊む流れならびに濃縮されたCOおよびH ガス状基質を提供するための条件下で動作する分離ゾーンに前記熱分解ゾーンから前記ガス状基質を送ることと、前記濃縮されたガス状基質を前記バイオリアクターに送ることと、を含む、[6]に記載の方法。
[11]前記熱分解生成物が炭であり、前記炭および前記CO に富む流れが反応ゾーンに送られて、COを含む第2の基質流を生成し、前記第2の基質流が前記バイオリアクターに送られる、[10]に記載の方法。
[12]さらに、前記バイオマス原料を前記熱分解ゾーンに送る前に、前記バイオマス原料を最初に焙焼ゾーンに送ることを含む、[6]に記載の方法。
[13]ガス状基質から少なくとも1種類の生成物を生成するための方法であって、
a.焙焼ゾーンにバイオマス原料を送り、焙焼バイオマスを生成することと、
b.前記焙焼バイオマスを熱分解ゾーンに送り、CO、熱分解油および炭を含むガス状基質を生成することと、
c.少なくとも1種類のカルボキシド栄養性酢酸生成微生物の培養物を含むバイオリアクターに前記ガス状基質の少なくとも一部を送り、前記ガス状基質の少なくとも一部を嫌気性発酵させて、少なくとも1種類の発酵生成物、第2のバイオマスを含む廃棄物流および水素を含む流出ガス流を生成することと、
d.前記第2のバイオマスの少なくとも一部を前記廃棄物流から分離することと、
e.水素に富む流れを提供するための条件下で動作する分離ゾーンに前記流出ガス流を送ることと、
f.前記焙焼ゾーンに前記第2のバイオマスの一部を送ることと、
g.水素化生成物を生成するための条件下で動作する水素化ゾーンに、前記熱分解油および水素に富む流れを送ることと、
を含む方法。
[14]前記焙焼プロセスがCOを含むガス状の副産物流を生成し、前記ガス状の副産物流の少なくとも一部が前記バイオリアクターに送られる、[13]に記載の方法。
[15]前記炭が気化ゾーンに送られて気化され、COを含む第2のガス状基質を生成し、前記バイオリアクターに前記第2のガス状基質が送られる、[13]に記載の方法。
[16]前記水素化生成物が、6〜20個の炭素を有する炭化水素である、[13]に記載の方法。
[17]前記カルボキシド栄養性酢酸生成微生物が、Clostridium autoethanogenum、Clostridium ljundahlii、Clostridium ragsdaleiおよびClostridium coskatiiからなる群から選択される、[13]に記載の方法。
Throughout this specification and all the claims that follow, words such as “comprise” and “comprising” are used in an exclusive sense, unless the context requires otherwise. Rather, it should be construed in a comprehensive sense, ie, “including but not limited to”.
The present invention includes the following embodiments.
[1] A method for producing at least one product from a gaseous substrate,
a. Converting at least a portion of the biomass feedstock into a gaseous substrate containing CO by a biomass liquefaction process selected from pyrolysis or roasting, a process performed in the liquefaction zone;
b. Sending at least a portion of the gaseous substrate to a bioreactor comprising a culture of at least one carboxydotrophic acetic acid producing microorganism, subjecting at least a portion of the gaseous substrate to anaerobic fermentation, and at least one fermentation product and Generating a waste stream containing a second biomass;
c. Separating at least a portion of the second biomass from the waste stream;
d. Sending a portion of the second biomass to the liquefaction zone;
Including methods.
[2] The method according to [1], wherein the gaseous substrate further contains CO 2 and H 2 .
[3] The method of [2], wherein the biomass liquefaction process produces at least one non-gaseous product, and the non-gaseous product is vaporized to produce a synthesis gas stream containing CO. .
[4] The method of [3], wherein at least a part of the synthesis gas stream is sent to the bioreactor.
[5] The method according to [1], wherein the at least one fermentation product is selected from the group consisting of ethanol, acetic acid, and 2,3-butanediol.
[6] A method for producing at least one product from a gaseous substrate,
a. Biomass feedstock in a pyrolysis zone operating under conditions to produce a gaseous substrate comprising CO, CO 2 and H 2 and at least one pyrolysis product selected from the group consisting of pyrolysis oil and charcoal Sending
b. At least a portion of the gaseous substrate is sent to a bioreactor comprising a culture of at least one carboxydotrophic acetic acid producing microorganism, and at least a portion of the gaseous substrate is anaerobically fermented to produce at least one fermentation. Producing a product, a waste stream comprising a second biomass and an effluent gas stream comprising hydrogen;
c. Separating at least a portion of the second biomass from the waste stream;
d. Sending a portion of the second biomass to the pyrolysis zone;
Including methods.
[7] The method of [6], wherein the effluent gas stream is sent to a separation zone operating under conditions to provide a hydrogen rich stream.
[8] The pyrolysis product is a stream rich in pyrolysis oil and hydrogen, and the pyrolysis oil is sent to a hydrogenation zone operating under conditions to produce a hydrogenation product. ] Method.
[9] The method according to [8], wherein the hydrogenation product is a hydrocarbon having 6 to 20 carbons.
[10] further sending the gaseous substrate from the pyrolysis zone to a separation zone operating under conditions to provide a CO 2 rich stream and a concentrated CO and H 2 gaseous substrate; Sending the concentrated gaseous substrate to the bioreactor. [6].
[11] is said pyrolysis product coal, said rich stream charcoal and the CO 2 is fed to the reaction zone to produce a second substrate stream comprising CO, the second substrate flow the The method according to [10], wherein the method is sent to a bioreactor.
[12] The method of [6], further comprising first sending the biomass feedstock to the roasting zone before sending the biomass feedstock to the pyrolysis zone.
[13] A method for producing at least one product from a gaseous substrate comprising:
a. Sending biomass raw materials to the roasting zone to produce roasted biomass;
b. Sending the roasted biomass to a pyrolysis zone to produce a gaseous substrate comprising CO, pyrolysis oil and charcoal;
c. At least a portion of the gaseous substrate is sent to a bioreactor comprising a culture of at least one carboxydotrophic acetic acid producing microorganism, and at least a portion of the gaseous substrate is anaerobically fermented to produce at least one fermentation. Producing a product, a waste stream comprising a second biomass and an effluent gas stream comprising hydrogen;
d. Separating at least a portion of the second biomass from the waste stream;
e. Sending the effluent gas stream to a separation zone operating under conditions to provide a hydrogen rich stream;
f. Sending a portion of the second biomass to the roasting zone;
g. Sending the pyrolysis oil and hydrogen rich stream to a hydrogenation zone operating under conditions to produce a hydrogenated product;
Including methods.
[14] The method of [13], wherein the roasting process produces a gaseous byproduct stream comprising CO, and at least a portion of the gaseous byproduct stream is sent to the bioreactor.
[15] The method according to [13], wherein the charcoal is sent to a vaporization zone to be vaporized to produce a second gaseous substrate containing CO, and the second gaseous substrate is sent to the bioreactor. .
[16] The method according to [13], wherein the hydrogenation product is a hydrocarbon having 6 to 20 carbons.
[17] The method according to [13], wherein the carboxytotrophic acetic acid-producing microorganism is selected from the group consisting of Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljundahlii, Clostridium ragsdalei, and Clostridium coskatii.

Claims (17)

ガス状基質から少なくとも1種類の生成物を生成するための方法であって、
a.液化ゾーン中で行われるプロセスである熱分解または焙焼から選択されるバイオマス液化プロセスによって、COを含むガス状基質にバイオマス原料の少なくとも一部を変換することと、
b.少なくとも1種類のカルボキシド栄養性酢酸生成微生物の培養物を含むバイオリアクターにガス状基質の少なくとも一部を送り、ガス状基質の少なくとも一部を嫌気性発酵させ、少なくとも1種類の発酵生成物および第2のバイオマスを含む廃棄物流を生成することと、
c.第2のバイオマスの少なくとも一部を廃棄物流から分離することと、
d.液化ゾーンに第2のバイオマスの一部を送ることと、
を含み、第2のバイオマスが、主に培養物からの細胞物質からなる、方法。
A method for producing at least one product from a gaseous substrate, comprising:
a. Converting at least a portion of the biomass feedstock into a gaseous substrate containing CO by a biomass liquefaction process selected from pyrolysis or roasting, a process performed in the liquefaction zone;
b. Sending at least a portion of the gaseous substrate to a bioreactor comprising a culture of at least one carboxydotrophic acetic acid producing microorganism, subjecting at least a portion of the gaseous substrate to anaerobic fermentation, and at least one fermentation product and Generating a waste stream containing a second biomass;
c. Separating at least a portion of the second biomass from the waste stream;
d. Sending a portion of the second biomass to the liquefaction zone;
Only including, a second biomass consists cellular material from primarily culture methods.
前記ガス状基質がさらにCOおよびHを含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the gaseous substrate further comprises CO 2 and H 2 . 前記バイオマス液化プロセスが、少なくとも1種類の非ガス状生成物を生成し、前記非ガス状生成物が気化されて、COを含む合成ガス流を生成する、請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein the biomass liquefaction process produces at least one non-gaseous product, and the non-gaseous product is vaporized to produce a synthesis gas stream comprising CO. 前記合成ガス流の少なくとも一部が前記バイオリアクターに送られる、請求項3に記載の方法。   4. The method of claim 3, wherein at least a portion of the synthesis gas stream is sent to the bioreactor. 前記少なくとも1種類の発酵生成物が、エタノール、酢酸および2,3−ブタンジオールからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the at least one fermentation product is selected from the group consisting of ethanol, acetic acid and 2,3-butanediol. ガス状基質から少なくとも1種類の生成物を生成するための方法であって、
a.CO、COおよびHを含むガス状基質、ならびに熱分解油および炭からなる群から選択される少なくとも1種類の熱分解生成物を生成するための条件下で動作する熱分解ゾーンにバイオマス原料を送ることと、
b.少なくとも1種類のカルボキシド栄養性酢酸生成微生物の培養物を含むバイオリアクターに前記ガス状基質の少なくとも一部を送り、前記ガス状基質の少なくとも一部を嫌気性発酵させて、少なくとも1種類の発酵生成物、第2のバイオマスを含む廃棄物流および水素を含む流出ガス流を生成することと、
c.第2のバイオマスの少なくとも一部を前記廃棄物流から分離することと、
d.前記熱分解ゾーンに前記第2のバイオマスの一部を送ることと、
を含み、第2のバイオマスが、主に培養物からの細胞物質からなる、方法。
A method for producing at least one product from a gaseous substrate, comprising:
a. Biomass feedstock in a pyrolysis zone operating under conditions to produce a gaseous substrate comprising CO, CO 2 and H 2 and at least one pyrolysis product selected from the group consisting of pyrolysis oil and charcoal Sending
b. At least a portion of the gaseous substrate is sent to a bioreactor comprising a culture of at least one carboxydotrophic acetic acid producing microorganism, and at least a portion of the gaseous substrate is anaerobically fermented to produce at least one fermentation. Producing a product, a waste stream comprising a second biomass and an effluent gas stream comprising hydrogen;
c. Separating at least a portion of the second biomass from the waste stream;
d. Sending a portion of the second biomass to the pyrolysis zone;
Only including, a second biomass consists cellular material from primarily culture methods.
前記流出ガス流が、水素に富む流れを提供するための条件下で動作する分離ゾーンに送られる、請求項6に記載の方法。   The method of claim 6, wherein the effluent gas stream is sent to a separation zone operating under conditions to provide a hydrogen rich stream. 前記熱分解生成物が熱分解油および前記水素に富む流れであり、前記熱分解油が、水素化生成物を生成するための条件下で動作する水素化ゾーンに送られる、請求項7に記載の方法。   8. The pyrolysis product is a pyrolysis oil and the hydrogen rich stream, and the pyrolysis oil is sent to a hydrogenation zone operating under conditions to produce a hydrogenation product. the method of. 前記水素化生成物が、6〜20個の炭素を有する炭化水素である、請求項8に記載の方法。   9. A process according to claim 8, wherein the hydrogenation product is a hydrocarbon having 6 to 20 carbons. さらに、COに豊む流れならびに濃縮されたCOおよびHガス状基質を提供するための条件下で動作する分離ゾーンに前記熱分解ゾーンから前記ガス状基質を送ることと、前記濃縮されたガス状基質を前記バイオリアクターに送ることと、を含む、請求項6に記載の方法。 In addition, sending the gaseous substrate from the pyrolysis zone to a separation zone operating under conditions to provide a CO 2 rich stream and concentrated CO and H 2 gaseous substrates; and 7. A method according to claim 6, comprising sending a gaseous substrate to the bioreactor. 前記熱分解生成物が炭であり、前記炭および前記COに富む流れが反応ゾーンに送られて、COを含む第2の基質流を生成し、前記第2の基質流が前記バイオリアクターに送られる、請求項10に記載の方法。 The pyrolysis product is charcoal, and the charcoal and the CO 2 rich stream are sent to a reaction zone to produce a second substrate stream containing CO, and the second substrate stream enters the bioreactor. The method of claim 10, wherein the method is sent. さらに、前記バイオマス原料を前記熱分解ゾーンに送る前に、前記バイオマス原料を最初に焙焼ゾーンに送ることを含む、請求項6に記載の方法。   7. The method of claim 6, further comprising first sending the biomass feedstock to the roasting zone before sending the biomass feedstock to the pyrolysis zone. ガス状基質から少なくとも1種類の生成物を生成するための方法であって、
a.焙焼ゾーンにバイオマス原料を送り、焙焼バイオマスを生成することと、
b.前記焙焼バイオマスを熱分解ゾーンに送り、CO、熱分解油および炭を含むガス状基質を生成することと、
c.少なくとも1種類のカルボキシド栄養性酢酸生成微生物の培養物を含むバイオリアクターに前記ガス状基質の少なくとも一部を送り、前記ガス状基質の少なくとも一部を嫌気性発酵させて、少なくとも1種類の発酵生成物、第2のバイオマスを含む廃棄物流および水素を含む流出ガス流を生成することと、
d.前記第2のバイオマスの少なくとも一部を前記廃棄物流から分離することと、
e.水素に富む流れを提供するための条件下で動作する分離ゾーンに前記流出ガス流を送ることと、
f.前記焙焼ゾーンに前記第2のバイオマスの一部を送ることと、
g.水素化生成物を生成するための条件下で動作する水素化ゾーンに、前記熱分解油および水素に富む流れを送ることと、
を含み、第2のバイオマスが、主に培養物からの細胞物質からなる、方法。
A method for producing at least one product from a gaseous substrate, comprising:
a. Sending biomass raw materials to the roasting zone to produce roasted biomass;
b. Sending the roasted biomass to a pyrolysis zone to produce a gaseous substrate comprising CO, pyrolysis oil and charcoal;
c. At least a portion of the gaseous substrate is sent to a bioreactor comprising a culture of at least one carboxydotrophic acetic acid producing microorganism, and at least a portion of the gaseous substrate is anaerobically fermented to produce at least one fermentation. Producing a product, a waste stream comprising a second biomass and an effluent gas stream comprising hydrogen;
d. Separating at least a portion of the second biomass from the waste stream;
e. Sending the effluent gas stream to a separation zone operating under conditions to provide a hydrogen rich stream;
f. Sending a portion of the second biomass to the roasting zone;
g. Sending the pyrolysis oil and hydrogen rich stream to a hydrogenation zone operating under conditions to produce a hydrogenated product;
Only including, a second biomass consists cellular material from primarily culture methods.
前記焙焼プロセスがCOを含むガス状の副産物流を生成し、前記ガス状の副産物流の少なくとも一部が前記バイオリアクターに送られる、請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, wherein the roasting process produces a gaseous byproduct stream comprising CO, and at least a portion of the gaseous byproduct stream is sent to the bioreactor. 前記炭が気化ゾーンに送られて気化され、COを含む第2のガス状基質を生成し、前記バイオリアクターに前記第2のガス状基質が送られる、請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, wherein the charcoal is sent to a vaporization zone and vaporized to produce a second gaseous substrate containing CO, and the second gaseous substrate is sent to the bioreactor. 前記水素化生成物が、6〜20個の炭素を有する炭化水素である、請求項13に記載の方法。   14. A process according to claim 13, wherein the hydrogenation product is a hydrocarbon having 6 to 20 carbons. 前記カルボキシド栄養性酢酸生成微生物が、Clostridium autoethanogenum、Clostridium ljundahlii、Clostridium ragsdaleiおよびClostridium coskatiiからなる群から選択される、請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, wherein the carboxydotrophic acetic acid producing microorganism is selected from the group consisting of Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljundahlii, Clostridium ragsdalei, and Clostridium coskatati.
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